La nuova batteria a base d’acqua potrebbe rivoluzionare lo storage di rete
(Rinnovabili.it) – L’accumulo elettrico su scala utility ha messo radici nel mercato dell’energia. Oggigiorno i dispositivi di storage come le batterie agli ioni di litio, le piombo-acido, quelle di flusso (redox-flow) e a metallo liquido offrono allettanti promesse al settore, catalizzando quote crescenti di investimenti. Di contro però, tutte queste opzioni, in un modo o nell’altro, sono ancora lontane dal soddisfare le esigenze di stoccaggio della rete. L’impianto ideale dovrebbe accumulare molta energia in un piccolo volume e costare meno di 100 dollari per kWh per essere sostenibile su larga scala. E dovrebbe anche possedere una lunga vita, come spiega Yi Cui, professore di scienze dei materiali e ingegneria alla Stanford University. “Hai bisogno che funzionino per oltre 10.000 cicli di ricarica, in modo che possano durare 25 anni”.
Tutte le opzioni sopracitate però difettano in almeno uno di questi requisiti. La tecnologia al litio possiede, ad esempio, un’alta densità energetica (oltre 200 Wh/kg) ma ha prezzi ancora troppo alti. Stesso discorso per le batterie redox, sistemi peraltro molto ingombranti. I dispositivi al piombo sono invece economici ma durano solo 500 cicli e la densità energetica è scadente, difetto che si riscontra anche nelle nuove soluzioni “liquide”.
Un’alternativa agli approcci classici è offerta dalla nuova batteria manganese-idrogeno o, come è già stata ribattezzata dagli scienziati, la batteria a base d’acqua. A realizzarla è stato un gruppo di chimici guidato dallo stesso Cui. Il prototipo è costituito da un catodo in fibre di carbonio inserito all’interno di un cilindro di acciaio e arrotolato attorno ad un piccolo anodo in carbonio caricato di platino. Lo spazio tra i due elettrodi è riempito con una soluzione acquosa contenente solfato di manganese, un sale industriale economico.
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Come funziona la “batteria ad acqua”? Durante la carica, gli ioni di manganese passano dalla soluzione al catodo, dove si combinano con l’ossigeno trasformandosi in diossido di manganese solido. Nel contempo, il platino sull’anodo catalizza la reazione di produzione dell’idrogeno dall’acqua. Il processo è invertito durante la scarica: gli ioni di manganese si dissolvono nell’elettrolita, l’idrogeno si ossida per formare acqua e gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno. “Quello che abbiamo fatto – spiega Cui – è semplicemente buttare un sale speciale nell’acqua, immergervi un elettrodo e creare una reazione chimica reversibile che immagazzina elettroni sotto forma di gas idrogeno”.
La nuova batteria ad acqua presenta una tensione di scarica di ~ 1,3 V, una capacità di frequenza di 100 mA cm -2 e una durata di oltre 10.000 cicli senza degradazione. Offre inoltre una densità di energia gravimetrica di circa 139 Wh/kg -1 e una volumetrica di 210 Wh/l.
Ovviamente il lavoro è ancora all’inizio. Il team ha utilizzato il platino come catalizzatore, il cui costo sarebbe proibitivo su larga scala. Per questo motivo il prossimo passo sarà testare catalizzatori più economici – il gruppo ne ha già individuati alcuni – per portare il costo complessivo sotto i 100 dollari per kWh. La ricerca A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage è stata pubblicata su Nature Energy.