Potente sinergia per stabilizzare l'anodo di zinco tramite leghe di bismuto e esposizione a CO2 in 1 M KOH per applicazioni in batterie alcaline

Perché batterie migliori contano

Dai veicoli elettrici all'alimentazione di riserva domestica, ogni anno facciamo sempre più affidamento sulle batterie ricaricabili. Le batterie a base di zinco sono interessanti perché lo zinco è economico, abbondante e più sicuro del litio. Tuttavia gli anodi di zinco tendono a corrodere e a formare bolle di gas, fenomeni che sprecano energia e riducono la durata della batteria. Questo studio esplora un modo semplice per rendere gli anodi di zinco più robusti e duraturi aggiungendo una minuscola quantità di bismuto e sfruttando l'anidride carbonica presente nell'aria per aiutare invece che danneggiare.

Il problema dello zinco puro

Nelle comuni batterie alcaline lo zinco è immerso in una soluzione fortemente basica e si degrada gradualmente. La sua superficie si dissolve in modo non uniforme, cresce formando strutture a ago e rilascia idrogeno. Questi cambiamenti danneggiano l'anodo, riducono la capacità utile e rendono difficile ricaricare la batteria molte volte. Le soluzioni convenzionali spesso richiedono rivestimenti complessi o additivi costosi. Gli autori si sono chiesti se una dose molto piccola di un altro metallo, il bismuto, insieme a un'esposizione controllata alla CO2, potesse calmare questo comportamento superficiale caotico senza aumentare molto i costi.

Una piccola modifica nella lega

Il team ha realizzato due tipi di anodi circolari: uno in zinco puro e uno in zinco miscelato con solo lo 0,5 percento di bismuto in peso. Entrambi sono stati provati in una soluzione alcalina standard di idrossido di potassio, sia così com'era sia dopo saturazione con anidride carbonica. Usando metodi elettrochimici consolidati, hanno misurato la velocità di corrosione dei metalli, la facilità con cui la carica si muoveva sulla superficie e il comportamento degli elettrodi durante cicli ripetuti di carica e scarica. Microscopi e tecniche a raggi X hanno poi rivelato quali tipi di strati solidi si formavano sulle superfici.

Come la CO2 diventa un alleato

Sorprendentemente, l'aggiunta di anidride carbonica al liquido alcalino ha reso entrambe le superfici di zinco meno, non più, soggette a corrosione. Il gas ha reagito con lo zinco disciolto e con la soluzione formando uno strato ricco di carbonato di zinco sulla parte superiore del metallo. Sullo zinco puro questo strato era piuttosto ruvido e poroso. Sulla lega zinco–bismuto, invece, il film protettivo risultava più denso e più aderente. La presenza del bismuto favoriva la formazione di fasi compatte di ossido e carbonato che ostacolavano sia la perdita di metallo sia la formazione indesiderata di bolle di idrogeno. Di conseguenza, la lega mostrava una corrente di corrosione molto più bassa e richiedeva più energia per iniziare a corrodere, chiari segnali di una maggiore stabilità.

Carica e scarica più stabili

Quando i ricercatori hanno sottoposto gli elettrodi a cicli a correnti diverse, i vantaggi si sono tradotti direttamente in prestazioni di tipo batteria. Gli anodi zinco–bismuto mantenevano la tensione in modo più stabile e si scaricavano per tempi più lunghi rispetto allo zinco puro nelle stesse condizioni. In presenza di elevate concentrazioni di CO2 i miglioramenti erano ancora più evidenti: la lega continuava a funzionare a tensioni più impegnative, con una migliore ritenzione della capacità su molti cicli. Misure avanzate di impedenza mostrarono che la carica aveva più difficoltà a fuoriuscire attraverso lo strato protettivo, e il sottile film superficiale si comportava più come una barriera stabile che non come una spugna che perde.

Cosa significa per le batterie future

Nel complesso, lo studio dimostra che una traccia di bismuto, combinata con la presenza naturale di anidride carbonica, può rinforzare in modo significativo gli anodi di zinco nelle batterie alcaline. Invece di considerare la CO2 solo come una minaccia, il lavoro la trasforma in parte della soluzione, sfruttandola per costruire un film superficiale autoprotettivo. Per l'uso quotidiano, questo approccio apre la strada a batterie a base di zinco che durano più a lungo, sprecano meno energia e sono più sicure, affidandosi al contempo a materiali abbondanti e a processi semplici.

Citazione: Adel, M., Elsayed, A. & Elrouby, M. Synergistic enhancement of zinc anode stability via bismuth alloying and CO₂ exposure in 1 M KOH for alkaline battery applications. Sci Rep 16, 15879 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52415-9

Parole chiave: batterie a zinco, anodo alcalino, lega di bismuto, inibizione della corrosione, anidride carbonica