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La “batteria di congelamento-scongelamento” è in grado di preservare la propria energia

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Credito: CC0 Pubblico Dominio

Gli scienziati hanno creato una batteria progettata per la rete elettrica che blocca l’energia per mesi senza perdere molta capacità di accumulo.

Lo sviluppo della “batteria di congelamento-scongelamento”, che congela la sua energia per un uso successivo, è un passo verso le batterie che possono essere utilizzate per lo stoccaggio stagionale: risparmiando energia in una stagione, come la primavera, e spendendola in un’altra, come autunno.

Il prototipo è piccolo, delle dimensioni di un disco da hockey. Ma la potenziale utilità della scienza alla base del dispositivo è vasta, predicendo un momento in cui l’energia da fonti intermittenti, come il sole e il vento, può essere immagazzinata per molto tempo. Il lavoro degli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy è stato pubblicato online il 23 marzo a La cellula riporta la scienza fisica.

“Le tecnologie di accumulo di energia a lunga durata sono importanti per aumentare la resilienza della rete quando si incorpora una grande quantità di energia rinnovabile”, ha affermato Imre Gyuk, direttore dell’Energy Storage presso l’Office of Electricity del DOE, che ha finanziato il lavoro. “Questa ricerca segna un passo importante verso una soluzione di accumulo stagionale della batteria che superi i limiti di autoscarica delle odierne tecnologie per le batterie”.

Sfruttare e confezionare l’energia della natura

Le fonti rinnovabili fluiscono e rifluiscono con i cicli della natura. Ciò rende difficile includerli in un flusso di elettricità affidabile e costante. Nel Pacifico nord-occidentale in primavera, ad esempio, i fiumi pieni di dighe idroelettriche di deflusso al massimo proprio mentre i venti soffiano violentemente lungo la Columbia Gorge. Tutta quella potenza deve essere imbrigliata immediatamente o conservata per pochi giorni al massimo.

Gli operatori di rete vorrebbero sfruttare quell’energia primaverile, immagazzinarla in grandi batterie, quindi rilasciarla alla fine dell’anno, quando i venti della regione sono lenti, i fiumi sono bassi e la domanda di elettricità raggiunge picchi.

Le batterie migliorerebbero anche la capacità delle utility di resistere a un’interruzione di corrente durante forti tempeste, rendendo disponibili grandi quantità di energia da immettere nella rete dopo un uragano, un incendio o un’altra calamità.

“È un po’ come coltivare cibo nel tuo giardino in primavera, mettere l’extra in un contenitore nel congelatore e poi scongelarlo per cena in inverno”, ha detto il primo autore Minyuan “Miller” Li.

La batteria viene prima caricata riscaldandola fino a 180 gradi Celsius, consentendo agli ioni di fluire attraverso l’elettrolita liquido per creare energia chimica. Quindi, la batteria viene raffreddata a temperatura ambiente, bloccando essenzialmente l’energia della batteria. L’elettrolita diventa solido e gli ioni che trasportano l’energia rimangono quasi fermi. Quando l’energia è necessaria, la batteria viene riscaldata e l’energia scorre.

Il fenomeno del gelo-disgelo è possibile perché l’elettrolita della batteria è sale fuso, un cugino molecolare del normale sale da cucina. Il materiale è liquido a temperature più elevate ma solido a temperatura ambiente.

Il concetto di congelamento e disgelo evita un problema familiare a chiunque abbia lasciato la propria auto inutilizzata per troppo tempo: una batteria che si scarica automaticamente quando è inattiva. Una velocità di scarica rapida, come quella delle batterie nella maggior parte delle auto o dei laptop, ostacolerebbe una batteria a rete progettata per immagazzinare energia per mesi. In particolare, la batteria di congelamento-scongelamento PNNL ha mantenuto il 92% della sua capacità per 12 settimane.

In altre parole, l’energia non degrada molto; è conservato, proprio come il cibo in un congelatore.

Gli ingredienti ordinari ne hanno di più

Il team ha evitato materiali rari, costosi e altamente reattivi. Invece, la batteria al sale fuso in alluminio-nichel è piena zeppa di materiali comuni abbondanti in terra. L’anodo e il catodo sono rispettivamente piastre solide di alluminio e nichel. Sono immersi in un mare di elettrolita di sale fuso che è solido a temperatura ambiente ma scorre come un liquido quando riscaldato. Il team ha aggiunto zolfo, un altro elemento comune a basso costo, all’elettrolita per aumentare la capacità energetica della batteria.

Uno dei maggiori vantaggi della batteria è la composizione di un componente, chiamato separatore, posto tra l’anodo e il catodo. La maggior parte delle batterie a sale fuso per temperature più elevate richiede un separatore in ceramica, che può essere più costoso da realizzare e suscettibile di rottura durante il ciclo di congelamento-scongelamento. La batteria PNNL utilizza una semplice fibra di vetro, possibile grazie alla chimica stabile della batteria. Ciò riduce i costi e rende la batteria più robusta durante i cicli di gelo-scongelamento.

“Ridurre i costi della batteria è fondamentale. Ecco perché abbiamo scelto materiali comuni e meno costosi con cui lavorare e perché ci siamo concentrati sulla rimozione del separatore ceramico”, ha affermato l’autore corrispondente Guosheng Li, che ha guidato lo studio.

L’energia della batteria viene immagazzinata a un costo dei materiali di circa $ 23 per kilowattora, misurato prima di un recente aumento del costo del nichel. Il team sta esplorando l’uso del ferro, che è meno costoso, nella speranza di ridurre il costo dei materiali a circa $ 6 per kilowattora, circa 15 volte inferiore al costo dei materiali delle odierne batterie agli ioni di litio.

La densità di energia teorica della batteria è di 260 wattora per chilogrammo, superiore alle odierne batterie al piombo e a flusso.

I ricercatori sottolineano che le batterie progettate per lo stoccaggio stagionale si caricherebbero e scaricherebbero probabilmente solo una o due volte l’anno. A differenza delle batterie progettate per alimentare auto elettriche, laptop o altri dispositivi di consumo, non devono durare centinaia o migliaia di cicli.

“Puoi iniziare a immaginare qualcosa come una grande batteria su un rimorchio da 40 piedi parcheggiato in un parco eolico”, ha affermato il coautore Vince Sprenkle, consulente strategico senior di PNNL. “La batteria viene caricata in primavera e poi il camion viene condotto lungo la strada fino a una sottostazione dove la batteria è disponibile se necessario durante la calura estiva”.

Altri autori dell’articolo includono i ricercatori del PNNL Evgueni Polikarpov, Nathan Canfield, Mark Engelhard, J. Mark Weller e David Reed e l’ex scienziato del PNNL Xiaowen Zhan.


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