Due liquidi colorati che gorgogliano in tubi: è questo l’aspetto della batteria del futuro? È questa la domanda a cui il ricercatore dell’Empa David Reber vuole rispondere nei prossimi quattro anni con il sostegno di una borsa di studio "Ambizione" del Fondo Nazionale Svizzero (FNS).
Le batterie a flusso redox esistono dagli anni ’70. A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, non immagazzinano l’energia in elettrodi solidi, ma in serbatoi contenenti soluzioni elettrolitiche liquide. Il processo di carica e scarica non avviene nei serbatoi stessi: gli elettroliti vengono pompati attraverso una cella elettrochimica.
Le batterie liquide non sono pratiche per telefoni cellulari, computer portatili o automobili. Tuttavia, sono molto promettenti per le soluzioni di accumulo stazionarie. Poiché l’energia viene immagazzinata all’esterno della cella stessa, le batterie liquide sono particolarmente facili da dimensionare in modo mirato. Se la batteria deve caricarsi e scaricarsi più rapidamente, è necessaria una cella elettrochimica più grande. Se deve avere una maggiore capacità di stoccaggio, sono necessari serbatoi più grandi.
"Con il crescente utilizzo delle energie rinnovabili, avremo bisogno di un accumulo di energia su larga scala, anche nelle aree urbane", spiega David Reber. Le batterie a flusso presentano un altro vantaggio: se si utilizzano elettroliti a base d’acqua, in linea di principio non sono infiammabili, a differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio.
Tuttavia, questa tecnologia non ha ancora preso piede. David Reber conosce il problema principale: "Le batterie a flusso hanno una densità energetica circa dieci volte inferiore rispetto alle batterie con materiali di accumulo solidi", spiega. Più materiale di accumulo può essere disciolto nell’elettrolita, maggiore è la densità energetica di una batteria a flusso. "Tuttavia, le alte concentrazioni rendono la soluzione più densa e occorre molta più energia per pomparla nella cella", continua il ricercatore.
È proprio questo il problema che David Reber vuole risolvere nel suo lavoro presso il laboratorio "Materials for Energy Conversion" dell’Empa, con un approccio insolito. Mentre la maggior parte dei progetti di batterie a flusso si concentra su materiali di accumulo più solubili, Reber vuole disaccoppiare completamente l’accumulo di energia dalla soluzione elettrolitica. "La mia visione è quella di sviluppare una sorta di ibrido tra una batteria a flusso e una batteria agli ioni di litio", spiega il ricercatore. Per raggiungere questo obiettivo, vuole aggiungere al serbatoio della batteria a flusso materiali solidi di accumulo, come quelli utilizzati nelle batterie dei telefoni cellulari. "Se il materiale disciolto e il materiale di accumulo solido sono perfettamente adattati l’uno all’altro, possono trasferire energia tra loro", spiega David Reber. "Questo permette di combinare la scalabilità delle batterie a flusso con l’alta densità energetica delle batterie con materiali solidi di accumulo".
Materiali richiesti
Ma prima i ricercatori devono trovare coppie di materiali adatti che consentano lo scambio di energia e rimangano stabili per un lungo periodo. "Idealmente, una batteria a flusso redox dovrebbe essere in grado di funzionare per circa 20 anni", spiega il ricercatore.La compatibilità di una coppia di materiali dipende dal cosiddetto potenziale redox delle sostanze: a quale tensione cedono o assorbono elettroni. "Ho già in mente alcune possibili coppie", spiega David Reber. E se una coppia promettente non corrisponde esattamente, i suoi potenziali redox possono essere manipolati con alcune operazioni chimiche. Una delle idee di David Reber è quella di utilizzare un chelato come materiale di stoccaggio disciolto: una molecola organica con diversi bracci che ’avvolge’ uno ione metallico. Il potenziale redox varia a seconda del numero di braccia della molecola organica - il ligando. David Reber ha già svolto ricerche sulle batterie redox a base di chelati durante il suo post-dottorato presso l’Università del Colorado a Boulder, per il quale riceverà il prestigioso Battery Division Postdoc Award alla riunione annuale della Electrochemical Society a Göteborg in ottobre.
Al termine dei quattro anni di finanziamento di "Ambizione", David Reber spera di ottenere una batteria che funzioni bene con un sistema di stoccaggio fisso aggiuntivo. "Se questo approccio funziona, le possibilità di utilizzo saranno molto varie", afferma. Ad esempio, le batterie Flow compatte con un fattore di forma flessibile potrebbero essere integrate molto più facilmente nelle aree urbane. "Basterebbero alcune pompe e qualche tubo", aggiunge il ricercatore.
