Mappatura della temperatura a risoluzione sub-micrometrica dell’elettrodo negativo in Zn per batterie a flusso

Perché batterie più fresche sono importanti per l’energia pulita

Con l’aumento di pannelli solari e turbine eoliche che immettono energia nella rete, servono batterie grandi, sicure ed economiche per immagazzinare quell’energia quando il sole non splende e il vento non soffia. Le batterie a flusso a base di zinco sono candidati promettenti: sono relativamente economiche, impiegano materiali abbondanti e sono più sicure di molti sistemi al litio. Ma un problema nascosto all’interno di queste batterie — picchi metallici microscopici e punti caldi invisibili — può ridurne drasticamente la vita utile. Questo studio mostra come la mappatura della temperatura su scale microscopiche e l’uso di un astuto elettrodo in metallo liquido possano domare questi problemi e avvicinare le batterie a flusso a zinco all’impiego pratico.

Il problema della crescita di punte metalliche

Le batterie a flusso a zinco immagazzinano energia placcando ripetutamente zinco metallico sull’elettrodo negativo e poi dissolvendolo nuovamente nel liquido durante la scarica. Nella pratica questo processo è tutt’altro che uniforme. Lo zinco spesso si deposita in modo irregolare e cresce in strutture aghiformi chiamate dendriti. Queste punte possono forare il separatore tra i due lati della batteria, causando cortocircuiti, spreco di zinco e, in ultima istanza, guasti. Il problema peggiora quando la batteria è sollecitata — caricata a uno stato di carica elevato o operata a correnti alte — esattamente le condizioni necessarie per uno stoccaggio energetico pratico e ad alta capacità.

Punti caldi nascosti all’interno di batterie in funzione

I ricercatori sospettavano che piccole variazioni di temperatura sulla superficie dell’elettrodo contribuissero a guidare questa crescita irregolare dello zinco, ma gli strumenti esistenti misurano la temperatura su scala dell’intera cella, non a livello di micrometri. Per vedere cosa stava realmente accadendo, hanno costruito un microscopio specializzato che usa nanodiamanti come termometri locali. Questi nanodiamanti contengono difetti quantistici che modificano il loro comportamento con la temperatura, permettendo al gruppo di mappare la temperatura con risoluzione sub-micronica e alta sensibilità mentre la batteria è in funzione. In una cella di prova semplice zinco–zinco hanno osservato la formazione dei dendriti di zinco e i conseguenti cortocircuiti. Subito dopo questi eventi hanno rilevato picchi di temperatura netti e localizzati — punti caldi che poi si propagavano sull’elettrodo, seguendo da vicino la crescita e la diffusione dei dendriti.

Distribuire il calore con materiali migliori

Armati di questa intuizione, il team ha simulato come diversi materiali di elettrodo gestiscono il calore. I substrati con conduttività termica più alta disperdono il calore in modo più efficace, riducendo i gradienti di temperatura e portando a una deposizione dello zinco più uniforme. Ma c’era un limite: quando si accumula uno spesso strato di zinco, il comportamento termico complessivo diventa dominato dallo stesso zinco, indebolendo il vantaggio del substrato originale. Gli autori hanno concluso che scegliere un semplice supporto solido migliore non è sufficiente; è necessario un modo per allontanare continuamente il calore dalla zona di reazione durante l’operazione.

Un metallo liquido che assorbe lo zinco

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato un metallo liquido di gallio–indio che resta fluido a temperatura ambiente e conduce il calore in modo estremamente efficiente. Nel loro progetto, questo metallo liquido sostituisce il consueto elettrodo negativo solido in una batteria a flusso zinco–bromo. Durante la carica, gli ioni di zinco dall’elettrolita vengono ridotti all’interfaccia e si dissolvono immediatamente nel metallo liquido, formando una lega liquida liscia anziché punte solide. Poiché il metallo è sia termicamente conduttivo sia fluido, trasporta rapidamente il calore lontano e uniforma le differenze di temperatura. Esperimenti e simulazioni mostrano che questo elettrodo in metallo liquido mantiene l’interfaccia quasi isotermica, impedisce la formazione di dendriti, riduce la corrosione e le reazioni secondarie, e può immagazzinare e rilasciare reversibilmente grandi quantità di zinco su molti cicli.

Cosa significa per lo stoccaggio energetico futuro

Quando il team ha realizzato celle complete zinco–bromo con l’elettrodo in metallo liquido, i miglioramenti sono stati evidenti. Le celle hanno funzionato stabilmente per più di 2400 ore a elevato stato di carica, hanno raggiunto una grande capacità cumulativa di scarica e hanno mantenuto alta efficienza rispetto ai progetti convenzionali che falliscono molto prima. In termini pratici, il lavoro dimostra che gestire con cura i punti caldi microscopici e trasformare uno strato solido e spinoso di zinco in una lega liquida liscia può estendere notevolmente la vita della batteria. Questo approccio potrebbe rendere le batterie a flusso a base di zinco più affidabili ed economiche per lo stoccaggio su scala di rete, aiutando a livellare la potenza rinnovabile e a sostenere un sistema energetico più pulito e resiliente.

Citazione: Wang, S., Gao, Y., Wang, S. et al. Sub-micron-resolution temperature mapping of Zn negative electrode for flow batteries. Nat Commun 17, 3510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70318-1

Parole chiave: batterie a flusso a zinco, elettrodo in metallo liquido, punti caldi termici, soppressione dei dendriti, stoccaggio energetico di rete