Nuovi strumenti mostrano una via da seguire per lo stoccaggio su larga scala dell'energia rinnovabile

Una tecnica basata sui principi della risonanza magnetica e della RMN ha permesso ai ricercatori di osservare non solo come funzionano le batterie di prossima generazione per lo stoccaggio di energia su larga scala, ma anche come falliscono, il che aiuterà nello sviluppo di strategie per estendere la durata delle batterie a sostegno della transizione verso un futuro a zero emissioni di carbonio.

I nuovi strumenti, sviluppati dai ricercatori dell'Università di Cambridge, aiuteranno gli scienziati a progettare sistemi di batterie più efficienti e più sicuri per lo stoccaggio di energia su scala di rete. Inoltre, la tecnica può essere applicata ad altri tipi di batterie e celle elettrochimiche per districare i complessi meccanismi di reazione che si verificano in questi sistemi, e per rilevare e diagnosticare i guasti.

I ricercatori hanno testato le loro tecniche su batterie organiche di flusso redox, candidati promettenti per immagazzinare abbastanza energia rinnovabile per alimentare paesi e città, ma che si degradano troppo rapidamente per applicazioni commerciali. I ricercatori hanno scoperto che caricando le batterie a una tensione inferiore, sono stati in grado di rallentare significativamente il tasso di degradazione, estendendo la durata della vita delle batterie. Irisultati sono riportati nella rivista Nature.

Le batterie sono un pezzo vitale della transizione dalle fonti di energia basate sui combustibili fossili. Senza batterie in grado di immagazzinare su scala di rete, sarà impossibile alimentare l'economia usando solo energia rinnovabile. E le batterie agli ioni di litio, pur essendo adatte per l'elettronica di consumo, non sono facilmente scalabili fino a dimensioni sufficienti per immagazzinare abbastanza energia per alimentare un'intera città, per esempio. I materiali infiammabili nelle batterie agli ioni di litio pongono anche potenziali pericoli per la sicurezza. Più grande è la batteria, più danni potenziali potrebbe causare se prende fuoco.

Le batterie a flusso Redox sono una possibile soluzione a questo puzzle tecnologico. Sono composte da due serbatoi di liquido elettrolitico, uno positivo e uno negativo, e possono essere scalate semplicemente aumentando le dimensioni dei serbatoi, il che le rende molto adatte allo stoccaggio di energia rinnovabile. Queste batterie non infiammabili, grandi come una stanza o addirittura come un edificio, potrebbero giocare un ruolo chiave nelle future reti di energia verde.

Diverse aziende stanno attualmente sviluppando batterie a flusso redox per applicazioni commerciali, la maggior parte delle quali utilizza il vanadio come elettrolita. Tuttavia, il vanadio è costoso e tossico, quindi i ricercatori delle batterie stanno lavorando per sviluppare una batteria a flusso redox basata su materiali organici che sono più economici e più sostenibili. Tuttavia, queste molecole tendono a degradarsi rapidamente.

"Poiché le molecole organiche tendono a degradarsi rapidamente, significa che la maggior parte delle batterie che le utilizzano come elettroliti non dureranno molto a lungo, rendendole inadatte ad applicazioni commerciali", ha detto il dottor Evan Wenbo Zhao del Dipartimento di Chimica di Cambridge, e primo autore dell'articolo. "Mentre lo sappiamo da un po', quello che non abbiamo sempre capito è perché questo accade".

Ora, Zhao e i suoi colleghi del gruppo di ricerca della professoressa Clare Grey a Cambridge, insieme a collaboratori del Regno Unito, Svezia e Spagna, hanno sviluppato due nuove tecniche per scrutare all'interno delle batterie organiche a flusso redox al fine di capire perché l'elettrolita si rompe e migliorare le loro prestazioni.

Utilizzando studi di risonanza magnetica nucleare (NMR) in 'tempo reale', una sorta di 'risonanza magnetica funzionale per le batterie', e metodi sviluppati dal gruppo del professor Grey, i ricercatori sono stati in grado di leggere i segnali di risonanza delle molecole organiche, sia nei loro stati originali che mentre si degradavano in altre molecole. Questi studi NMR 'operando' della degradazione e dell'autoscarica nelle batterie a flusso redox forniscono intuizioni sui meccanismi interni alla base delle reazioni, come la formazione di radicali e i trasferimenti di elettroni tra le diverse specie redox-attive nelle soluzioni.

"Ci sono pochi studi meccanicistici insitu sulle batterie a flusso redox organiche, sistemi che sono attualmente limitati da problemi di degradazione", ha detto Grey. "Abbiamo bisogno di capire sia come questi sistemi funzionano sia come falliscono se vogliamo fare progressi in questo campo".

I ricercatori hanno scoperto che in certe condizioni, le molecole organiche tendevano a degradarsi più rapidamente. "Se cambiamo le condizioni di carica caricando ad una tensione inferiore, l'elettrolita dura più a lungo", ha detto Zhao. "Possiamo anche cambiare la struttura delle molecole organiche in modo che si degradino più lentamente. Ora capiamo meglio perché le condizioni di carica e le strutture molecolari contano".

I ricercatori ora vogliono applicare il loro setup NMR su altri tipi di batterie organiche redox flow, così come su altri tipi di batterie di prossima generazione, come le batterie litio-aria.

"Siamo entusiasti della vasta gamma di potenziali applicazioni di questo metodo per monitorare una varietà di sistemi elettrochimici mentre sono in funzione", ha detto Grey.

Per esempio, la tecnica NMR sarà usata per sviluppare un dispositivo portatile di "controllo della salute" della batteria per diagnosticarne le condizioni.

"Usando un tale dispositivo, potrebbe essere possibile controllare le condizioni dell'elettrolita in una batteria organica redox flow funzionante e sostituirlo se necessario", ha detto Zhao. "Poiché l'elettrolita per queste batterie è poco costoso e non tossico, questo sarebbe un processo relativamente semplice, prolungando la vita di queste batterie".

La ricerca è stata finanziata in parte dall'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e da Shell.

Autore: Università di Cambridge

Credito immagine: Unsplash

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