Un team di ricercatori cinesi ha pubblicato i dettagli di una batteria acquosa che, a loro dire, potrebbe rivoluzionare il modo in cui l'energia viene immagazzinata su larga scala. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications. La batteria ha superato 120,000 cicli di carica e scarica durante i test di laboratorio, mantenendo inalterata la maggior parte della sua capacità. I ricercatori descrivono il suo profilo di smaltimento come ecocompatibile.
Un elettrolita neutro al centro
Il progetto si basa su un elettrolita a pH neutro, costituito da sali di magnesio e calcio. Questo rappresenta una novità rispetto alla chimica standard delle batterie acquose, che spesso si avvale di soluzioni fortemente acide o alcaline. Tali soluzioni corrodono gli elettrodi e si degradano nel tempo. L'approccio neutro evita entrambi i problemi. L'elettrolita ha un pH di 7, vicino a quello dell'acqua pulita.
Abbinare quell'elettrolita al materiale dell'elettrodo più adatto rappresentava la sfida principale. Il team ha sviluppato un elettrodo in polimero organico covalente progettato per ospitare ioni di magnesio e calcio. Il polimero utilizza una struttura molecolare rigida a nido d'ape. Tale struttura stabilizza il composto attivo, proteggendolo dalla degradazione in ambiente acquoso. Nei test, la cella ha fornito una capacità specifica di 112.8 milliampere-ora per grammo.
Affermazioni sulla longevità e il loro significato
I ricercatori sostengono che, con cicli di carica e scarica giornalieri, la durata operativa della batteria potrebbe estendersi per secoli. Live Science ha riportato questa affermazione, parlando di una durata fino al XXIV secolo. Questa cifra, tuttavia, va contestualizzata. I conteggi dei cicli in laboratorio non sempre si traducono direttamente in condizioni reali. Variazioni di temperatura, fluttuazioni di carico e stress fisico nelle installazioni sul campo introducono variabili che i test di laboratorio non riescono a replicare completamente.
Il dato di 120,000 cicli è, di per sé, un risultato notevole. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio commerciali si degrada significativamente dopo 2,000-4,000 cicli. Persino le celle al litio ferro fosfato destinate alla rete elettrica in genere funzionano entro un intervallo di 3,000-6,000 cicli prima di una perdita di capacità significativa. Il divario tra questi valori e 120,000 è considerevole. Una verifica indipendente del risultato non è ancora stata pubblicata.
Anche l'affermazione relativa allo smaltimento merita attenzione. Gli autori descrivono la composizione chimica dell'elettrolita come sufficientemente sicura per lo smaltimento diretto nell'ambiente. Si tratta di un'affermazione forte. I quadri normativi nel Regno Unito, negli Stati Uniti e nell'UE stabiliscono soglie rigorose per lo smaltimento delle batterie. Per stabilire se questa composizione chimica rispetti effettivamente tali soglie nella pratica, sarebbero necessari test ambientali indipendenti.
Dove le batterie acquose hanno incontrato difficoltà
Le batterie acquose hanno suscitato un interesse costante tra gli sviluppatori di sistemi di accumulo per la rete elettrica. Non prendono fuoco. Possono essere più economiche da produrre rispetto ai sistemi agli ioni di litio. Gli elettroliti a base d'acqua sono ampiamente disponibili e facili da maneggiare.
I compromessi, tuttavia, sono stati reali. La densità energetica nei sistemi acquosi è inferiore rispetto alle alternative agli ioni di litio. La corrosione degli elettrodi ha ridotto la durata di vita in molti modelli. La letteratura scientifica pubblicata su Energy Storage Materials ha documentato in dettaglio queste limitazioni. Esse hanno frenato l'adozione commerciale, nonostante la crescente domanda di sistemi di accumulo per la rete elettrica.
Il nuovo progetto cerca di ridurre questi compromessi. L'elettrolita neutro affronta direttamente la corrosione. L'elettrodo polimerico affronta il degrado. Resta da vedere se questa combinazione si dimostrerà efficace su larga scala, in diverse gamme di temperatura e in ambienti di rete reali.
La domanda di accumulo di energia nella rete elettrica e il contesto più ampio
L'accumulo di energia tramite batterie su larga scala è diventato una priorità nella pianificazione delle energie pulite. L'Agenzia Internazionale dell'Energia ha ripetutamente segnalato la capacità di accumulo come un vincolo determinante per l'integrazione delle energie rinnovabili. La produzione di energia eolica e solare è intermittente. L'accumulo attenua tale intermittenza. Le batterie agli ioni di litio dominano gli impianti attuali, ma le problematiche relative alla catena di approvvigionamento, i costi delle materie prime e il rischio di incendio hanno mantenuto vivo l'interesse per le alternative.
I sistemi acquosi, le batterie a flusso e lo stoccaggio ad aria compressa hanno tutti attirato investimenti e ricerche. Ognuno di essi presenta profili di costo e prestazioni differenti. Una batteria in grado di offrire una durata di ciclo molto lunga con un basso rischio ambientale risolverebbe due delle principali problematiche commerciali del settore.
Il lavoro del team cinese è ancora in fase iniziale. La pubblicazione su Nature Communications indica che la metodologia ha superato il vaglio degli esperti, ma non conferma la sua effettiva commercializzazione.
Quello che viene dopo
La prossima sfida è l'ampliamento della produzione. Le celle di laboratorio e gli impianti su scala industriale differiscono enormemente in termini di complessità ingegneristica. L'elettrodo in polimero organico covalente dovrebbe essere prodotto in grandi quantità. Il costo per kilowattora su larga scala non è noto in base al presente studio.
I ricercatori non hanno annunciato un partner commerciale né un progetto pilota. Nel materiale pubblicato non è indicata alcuna tempistica per l'implementazione. I risultati sono sufficientemente credibili da meritare attenzione, ma è troppo presto per considerarli una soluzione definitiva.
