Nuove batterie a flusso per stoccare l’energia delle fonti rinnovabili

I ricercatori della Stanford University e dello SLAC (laboratorio del DOE - U.S. Department of Energy) hanno progettato una nuova batteria economica e durevole che potrebbe consentire di incrementare l’apporto energetico delle fonti rinnovabili alla rete elettrica.

Secondo il Dott. Yi Cui, professore associato di scienza dei materiali alla Stanford University , per riuscire a sfruttare l’energia solare ed eolica in maniera più significativa è necessario sviluppare batterie efficienti, economiche  e riproducibili in larga scala, in grado di regolare le naturali fluttuazioni delle fonti energetiche rinnovabili.

Al momento, infatti, la rete elettrica non è in grado di tollerare le ampie e improvvise oscillazioni di carico causate da una massiccia presenza di fonti energetiche discontinue, come appunto le fonti rinnovabili. In sostanza, nel momento in cui l’energia eolica e quella solare arriveranno a contribuire in maniera determinante all’apporto di energia elettrica alla rete, il ruolo delle batterie diventerà fondamentale perché permetterà di smussare gli alti e bassi della disponibilità energetica offerta da queste fonti energetiche intermittenti.

Secondo il team guidato dal Dott. Cui, le batterie più promettenti per mitigare l’intermittenza delle rinnovabili sono le batterie a flusso (flow batteries), perché la loro capacità di accumulo energetico è facilmente modulabile tramite semplici accorgimenti costruttivi.  In particolare, il gruppo del Dott. Cui ha realizzato una nuova batteria a flusso che potrebbe rappresentare un’ottima soluzione per impieghi su larga scala, in quanto è caratterizzata da un design semplificato e relativamente economico.

Attualmente le comuni batterie a flusso prevedono la presenza di due fluidi distinti contenenti una o più sostanze elettroattive disciolte. I due elettroliti fluiscono attraverso una cella elettrochimica che converte l'energia chimica direttamente in energia elettrica. Generalmente gli elettroliti sono stoccati esternamente in opportune vasche e vengono pompati attraverso la cella elettrolitica, la quale contiene una membrana che può essere attraversata solo agli ioni non coinvolti nella reazione, mentre mantiene separatati gli ioni attivi nella reazione redox. Questo genere di batteria presenta due principali inconvenienti:  in primo luogo l’alto costo degli elettroliti, che contengono elementi rari come il vanadio, e secondariamente la presenza di una membrana molto costosa che richiede frequente manutenzione.

D’altra parte, la nuova batteria progettata dal team di Stanford /SLAC utilizza un unico flusso di molecole e non necessita di alcun tipo di membrana. Le molecole presenti nell’elettrolita sono costituite sostanzialmente da elementi relativamente economici come il litio e lo zolfo, i quali reagiscono con un anodo di litio metallico dotato di un opportuno rivestimento-barriera, in grado di lasciar passare gli elettroni generati dalla reazione redox senza che il metallo si degradi. In fase di scarica le molecole elettroattive del fluido, costituite nello specifico da polisolfuri di litio, assorbono gli ioni di Litio presenti nella soluzione; in fase di carica, al contrario, li rilasciano nuovamente nella soluzione, in modo da immagazzinare energia elettrochimica. L’intero flusso di molecole avviene all’interno di un solvente organico, il quale non presenta i tipici problemi di corrosione che si riscontrano nelle batterie a flusso a base acquosa.

Nel corso dei primi test di laboratorio la nuova batteria ha registrato eccellenti prestazioni di accumulo energetico anche dopo 2000 cicli di carica/scarica, equivalenti a un funzionamento quotidiano di circa 5,5 anni.

Per illustrare il principio di funzionamento, i ricercatori hanno realizzato un sistema miniaturizzato costituito da un semplice contenitore di vetro. L’inserimento della soluzione di polifosfati di litio nel contenitore ha immediatamente prodotto una scarica elettrica in grado di accendere un LED. Attualmente il team sta cercando di realizzare una nuova versione della batteria  con componenti scalati in modo da immagazzinare diversi MWh di energia. Il Dott. Cui e il suo staff hanno riportato i risultati della loro ricerca sulla rivista Energy&Environmental Science.

Fonte: Yuan Yang, Guangyuan Zheng and Yi Cui (2013) A membrane-free lithium/polysulfide semi-liquid battery for large-scale energy storage. Energy Environ. Sci., 6, 1552-1558 doi: 10.1039/C3EE00072A