Una batteria acquosa che utilizza un elettrolita a pH 7 e adatta allo smaltimento diretto nell’ambiente

Perché contano le batterie a base d’acqua più sicure

La maggior parte delle batterie ricaricabili attuali si basa su liquidi infiammabili o su acidi e basi aggressivi, che sollevano problemi di sicurezza e ambientali. Questo studio esplora un nuovo tipo di batteria a base d’acqua che funziona in una soluzione delicata, quasi neutra—simile in acidità all’acqua potabile o alla salamoia usata per fare il tofu. Poiché il liquido è blando e i componenti solidi evitano metalli pesanti, queste batterie mirano a immagazzinare energia a lungo e poi essere eliminate senza danneggiare l’ambiente.

I problemi delle batterie acquose odierne

Le batterie acquose, o “a base d’acqua”, sono da tempo considerate un’alternativa più sicura rispetto alle celle agli ioni di litio perché l’acqua non brucia. Tuttavia, la maggior parte dei progetti esistenti impiega liquidi che sono o piuttosto acidi o fortemente alcalini. In tali condizioni, l’acqua stessa si scinde in idrogeno e ossigeno sulle superfici degli elettrodi. Questo spreca energia, asciuga lentamente la cella e forma bolle che danneggiano gli elettrodi. Quando queste batterie vengono gettate, i loro liquidi corrosivi possono anche danneggiare i suoli e le vie d’acqua. Gli autori si sono posti l’obiettivo di progettare una batteria che mantenga i vantaggi dell’acqua, ma funzioni a un pH di circa 7, vicino al neutro, per ridurre queste reazioni collaterali.

Un nuovo liquido delicato e materiali solidi abbinati

Il team ha scelto i sali comuni di magnesio e calcio—MgCl₂ e CaCl₂—come base del liquido all’interno della batteria. Questi sali formano soluzioni concentrate in grado di immagazzinare e muovere molta carica, rimanendo comunque quasi neutre e già usate in modo sicuro nell’industria alimentare. Per lavorare con questi liquidi, i ricercatori hanno sintetizzato una famiglia di solidi organici porosi, chiamati polimeri organici covalenti, da usare come elettrodo negativo. Modificando leggermente il legame chimico che unisce i mattoni di questi polimeri, hanno potuto regolare quanto facilmente il materiale accetta e rilascia elettroni e quanto fortemente attrae ioni magnesio o calcio. Una versione, denominata Hex-TADD-COP, si è distinta per aver combinato un trasporto di carica rapido, buona stabilità termica e una bassa tensione di esercizio, caratteristica desiderabile per l’abbinamento a elettrodi positivi ad alta tensione.

Come la nuova batteria immagazzina carica

Nel polimero scelto, le unità ripetute contengono atomi di azoto disposti in modo tale da poter catturare e rilasciare temporaneamente ioni di magnesio o calcio durante la carica e la scarica della batteria. Utilizzando una combinazione di modellizzazione al computer e diversi tipi di spettroscopia, i ricercatori hanno dimostrato che questi siti azotati coordinano reversibilmente gli ioni bivalenti senza distruggere il polimero. Elemento cruciale, il liquido quasi neutro contiene pochissimi protoni liberi, quindi gli ioni idrogeno giocano quasi nessun ruolo nel processo di immagazzinamento della carica. Esperimenti in soluzioni più acide hanno rivelato che, quando sono presenti protoni in eccesso, si innescano reazioni indesiderate, si formano depositi isolanti sulla superficie dell’elettrodo e la vita utile del dispositivo si accorcia rapidamente. Al pH 7, invece, l’elettrodo mantiene più del 70 percento della sua capacità anche dopo circa 120.000 cicli rapidi di carica–scarica, una durata eccezionalmente lunga per una batteria acquosa.

Costruire una batteria completa e testarne la durata

Per dimostrare un dispositivo completo funzionante, il team ha combinato il nuovo elettrodo negativo in polimero con un elettrodo positivo realizzato da un composto simile al blu di Prussia contenente rame e ferro. Nelle soluzioni neutre di sali di magnesio o calcio, questa coppia ha prodotto una tensione di esercizio fino a circa 2,2 volt—elevata per una batteria multivalente a base d’acqua. Considerando la massa totale degli elettrodi e del liquido, le celle hanno fornito energie specifiche fino a circa 40–50 wattora per chilogrammo, confrontabili o migliori rispetto a molti altri sistemi a magnesio o calcio. Non meno importante, le celle complete hanno preservato una capacità utile per oltre 120.000 cicli ad alta corrente, e prototipi in formato pouch con elettrodi più spessi hanno funzionato stabilmente per migliaia di cicli, suggerendo un potenziale pratico.

Cosa significa per uno stoccaggio dell’energia più pulito

Lo studio dimostra che è possibile costruire una batteria ricaricabile di lunga durata che utilizza una soluzione salina neutra di grado alimentare e un elettrodo negativo organico progettato per evitare reazioni collaterali distruttive. Mantenendo il pH vicino a 7 e facendo affidamento su elementi abbondanti e non tossici come magnesio, calcio, carbonio, azoto e ferro, gli autori creano un dispositivo che, in linea di principio, può essere gettato via senza trattamenti speciali e rispettare comunque rigorosi standard ambientali. Pur essendo necessario ulteriore lavoro per aumentare ulteriormente il contenuto energetico e ottimizzare la produzione su larga scala, questo approccio indica la via verso batterie più sicure e più verdi per applicazioni in cui durata estrema e basso impatto ambientale sono più importanti che estrarre ogni ultima unità di energia.

Citazione: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Parole chiave: batterie acquose, immagazzinamento di ioni magnesio, batterie a ioni di calcio, elettroliti neutri, polimeri organici covalenti