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Sale e una batteria: abbattere i limiti dell’accumulo di energia

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Gli europei avranno bisogno di più e migliori batterie per alimentare flotte di auto elettriche. Credito: © Nick Starichenko, Shutterstock

Grazie al boom delle rinnovabili, il fattore limitante della rivoluzione energetica non è tanto l’alimentazione quanto l’accumulo di energia in questi giorni. Sono necessarie batterie più pulite ed ecologiche per caricare più a lungo auto, biciclette elettriche e dispositivi.

In futuro, gran parte della nostra energia proverrà da fonti rinnovabili come il solare e l’eolico. Ma ci sono momenti in cui il vento non soffia e il sole non splende. Per uniformare l’offerta, dobbiamo immagazzinare l’elettricità in eccesso generata dalle rinnovabili, fino a quando non siamo pronti a consumarla. Un mezzo importante per farlo è con batterie migliori. Abbiamo anche bisogno di un numero enorme di batterie se vogliamo alimentare le flotte previste di auto elettriche e dispositivi di mobilità.

Il problema è che anche le migliori batterie hanno problemi. Un grande punto critico è che le celle agli ioni di litio utilizzano il litio come componente chiave. Questo viene estratto come sale. L’Europa non ha attualmente grandi riserve, quindi fa affidamento sulle importazioni da luoghi come l’Australia e il Cile. Le batterie al litio sono anche costose, hanno una capacità di archiviazione limitata e perdono prestazioni dopo ripetute ricariche.

Le tradizionali batterie agli ioni di litio hanno tre componenti chiave. Ci sono due componenti solidi chiamati elettrodi, l’anodo e il catodo, e un liquido chiamato elettrolita. Quando la batteria si scarica, gli elettroni fluiscono dall’anodo al catodo per alimentare qualsiasi dispositivo a cui è collegato. Gli ioni di litio positivi si diffondono attraverso l’elettrolita, attratti dalla carica negativa del catodo. Quando la batteria si sta caricando, questo va al contrario.

Densita ‘energia

L’intero processo è una reazione elettrochimica reversibile. Ci sono molti gusti di questo processo di base con diversi tipi di sostanze chimiche e ioni coinvolti. Un’opzione particolare esplorata dal progetto ASTRABAT consiste nell’eliminare l’elettrolita liquido e trasformarlo invece in un solido o in un gel. In teoria, queste batterie a stato solido hanno una densità di energia maggiore, il che significa che possono alimentare i dispositivi più a lungo. Dovrebbero anche essere più sicuri e veloci da produrre, poiché, a differenza delle tipiche batterie agli ioni di litio, non utilizzano un elettrolita liquido infiammabile.

L’elettrochimica Dr. Sophie Mailley presso la Commissione per l’energia atomica e le energie alternative (CEA) a Grenoble, in Francia, è la coordinatrice del progetto ASTRABAT. Spiega che le batterie allo stato solido a base di litio esistono già. Ma tali batterie utilizzano un gel come elettrolita e funzionano bene solo a temperature di circa 60°C, il che significa che non sono adatte a molte applicazioni. “È chiaro che dobbiamo innovare in questo settore per essere in grado di affrontare i problemi del cambiamento climatico”, ha affermato il dottor Mailley.

Lei e il suo team di partner hanno lavorato per perfezionare una ricetta per una migliore batteria al litio a stato solido. Il lavoro consiste nell’esaminare tutti i tipi di componenti candidati per la batteria e capire quali funzionano meglio insieme. Il dottor Mailley afferma che ora hanno identificato i componenti adatti e stanno elaborando modi per aumentare la produzione delle batterie.

Una domanda che lei e il suo team intendono indagare in seguito è se sarà più facile riciclare il litio e altri elementi dalle batterie a stato solido rispetto alle tipiche batterie agli ioni di litio. Se lo fosse, ciò potrebbe aumentare il riciclaggio del litio e ridurre la dipendenza dalle importazioni.

Il dottor Mailley stima che se la ricerca andrà bene, le batterie al litio a stato solido come quella su cui sta lavorando ASTRABAT potrebbero entrare nell’uso commerciale nelle auto elettriche entro il 2030 circa. “Non so se sono queste batterie a stato solido che sarà la prossima importante innovazione della batteria”, ha affermato il dott. Mailley. “Ci sono molte altre possibili soluzioni, come l’utilizzo di manganese o sodio (invece del litio). Potrebbero funzionare. Ma dobbiamo continuare a investire nella ricerca per convalidare la prossima generazione di batterie”, ha affermato.

Caricato positivamente

Quando si tratta di immagazzinare energia allo scopo di uniformare la fornitura alle reti elettriche, le batterie devono essere affidabili e ad alta capacità, il che significa costose. Il litio scarso non è la scelta migliore. Invece, il progetto HIGREEW sta studiando un altro tipo diverso di batteria, nota come cella a flusso redox.

I componenti principali delle batterie a flusso redox sono due liquidi, uno caricato positivamente e uno caricato negativamente. Quando la batteria è in uso, queste vengono pompate in una camera nota come pila di celle, dove sono separate da una membrana permeabile e scambiano elettroni, creando una corrente.

Il coordinatore del progetto è il chimico Dr. Eduardo Sanchez del CIC energiGUNE, un centro di ricerca vicino a Bilbao in Spagna. Spiega che molte batterie a flusso redox su larga scala sono già in funzione in tutto il mondo e sono progettate per essere stabili, durando circa 20 anni. Ma queste batterie esistenti utilizzano vanadio disciolto in acido solforico, che è un processo tossico e corrosivo. I requisiti di sicurezza significano che queste batterie devono essere prodotte a costi elevati.

“Il vanadio ha molti punti di forza: è economico e stabile”, ha affermato il dottor Sanchez. “Ma se hai una perdita da una di queste batterie, non va bene. Devi progettare i serbatoi in modo che siano estremamente durevoli”.

meno tossico

Il progetto HIGREEW prevede di creare una batteria a flusso redox che utilizzi materiali molto meno tossici come soluzioni saline nell’acqua che immagazzina ioni a base di carbonio. Sanchez e il suo team di colleghi hanno lavorato allo sviluppo della migliore ricetta per questa batteria, selezionando molte diverse combinazioni di sali e soluzioni chimiche. Ora hanno stilato una rosa di alcuni prototipi che funzionano bene e stanno lavorando per aumentarli.

Il lavoro su un enorme prototipo di batteria è in corso presso il centro CIC energiGUNE. “Dobbiamo assicurarci che mantengano le loro buone prestazioni su larga scala”, ha affermato il dottor Sanchez.

Il suo team ha anche studiato un metodo per immergere i materiali delle membrane delle batterie disponibili in commercio in modo da alterarli chimicamente, facendoli durare più a lungo.

Il dottor Sanchez vede un futuro radioso per le batterie a flusso redox. “Direi che abbiamo una fioritura qui in Europa, con molte aziende che lavorano sulle batterie a flusso”. Prevede che la produzione di batterie a flusso redox potrebbe portare abbondanti opportunità di lavoro in Europa nei prossimi anni.


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