Un comune additivo alimentare e medicinale ha dimostrato di poter aumentare la capacità e la longevità di un progetto di batteria a flusso di nuova generazione in un esperimento da record.
Un gruppo di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy riferisce che la batteria a flusso, un progetto ottimizzato per lo stoccaggio di energia della rete elettrica, ha mantenuto la sua capacità di immagazzinare e rilasciare energia per più di un anno di carica e scarica continua.
Lo studio, appena pubblicato sulla rivista Joule, descrive in dettaglio il primo utilizzo di uno zucchero semplice disciolto chiamato β-ciclodestrina, un derivato dell’amido, per aumentare la longevità e la capacità della batteria. In una serie di esperimenti, gli scienziati hanno ottimizzato il rapporto tra le sostanze chimiche nel sistema fino a raggiungere il 60% in più di potenza di picco. Quindi hanno fatto funzionare la batteria più e più volte per più di un anno, interrompendo l’esperimento solo quando il tubo di plastica si è guastato. Durante tutto quel tempo, la batteria a flusso ha perso a malapena la sua attività per ricaricarsi. Questo è il primo esperimento di batteria a flusso su scala di laboratorio che riporta più di un anno di uso continuo con una minima perdita di capacità.
L’additivo β-ciclodestrina è anche il primo ad accelerare la reazione elettrochimica che immagazzina e poi rilascia l’energia della batteria a flusso, in un processo chiamato catalisi omogenea. Ciò significa che lo zucchero fa il suo lavoro mentre è disciolto in soluzione, piuttosto che come un solido applicato su una superficie.
“Questo è un approccio nuovo di zecca allo sviluppo dell’elettrolita della batteria a flusso”, ha affermato Wei Wang, ricercatore di batterie PNNL di lunga data e principale investigatore dello studio. “Abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare un tipo di catalizzatore completamente diverso progettato per accelerare la conversione dell’energia. Inoltre, poiché è disciolto nell’elettrolita liquido, elimina la possibilità che un solido si stacchi e incrosi il sistema”.
Che cos’è una batteria di flusso?
Come suggerisce il nome, le batterie a flusso sono costituite da due camere, ciascuna riempita con un liquido diverso. Le batterie si caricano attraverso una reazione elettrochimica e immagazzinano energia in legami chimici. Quando sono collegati a un circuito esterno, rilasciano quell’energia, che può alimentare dispositivi elettrici. Le batterie a flusso differiscono dalle batterie a stato solido in quanto hanno due serbatoi di alimentazione esterni di liquido che circolano costantemente attraverso di esse per fornire l’elettrolito, che è come la “rifornimento di sangue” per il sistema. Più grande è il serbatoio di alimentazione dell’elettrolito, maggiore è l’energia che la batteria a flusso può immagazzinare.
Se vengono ridimensionate fino alle dimensioni di un campo di calcio o più, le batterie a flusso possono fungere da generatori di riserva per la rete elettrica. Le batterie a flusso sono uno dei pilastri fondamentali di una strategia di decarbonizzazione per immagazzinare energia da risorse energetiche rinnovabili. Il loro vantaggio è che possono essere costruiti a qualsiasi scala, dalla scala del banco di laboratorio, come nello studio PNNL, alla dimensione di un isolato urbano.
Perché abbiamo bisogno di nuovi tipi di batterie a flusso?
Lo stoccaggio di energia su larga scala fornisce una sorta di polizza assicurativa contro le interruzioni della nostra rete elettrica. Quando le condizioni meteorologiche avverse o l’elevata domanda ostacolano la capacità di fornire elettricità a case e aziende, l’energia immagazzinata in impianti di batterie a flusso su larga scala può aiutare a ridurre al minimo le interruzioni o ripristinare il servizio. Si prevede che la necessità di questi impianti di batterie a flusso aumenterà, poiché la produzione di elettricità proviene sempre più da fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica, solare e idroelettrica. Fonti di energia intermittenti come queste richiedono un luogo in cui immagazzinare l’energia finché non è necessaria per soddisfare la domanda dei consumatori.
Sebbene esistano molti progetti di batterie a flusso e alcune installazioni commerciali, le strutture commerciali esistenti si affidano a minerali estratti come il vanadio che sono costosi e difficili da ottenere. Ecco perché i team di ricerca stanno cercando tecnologie alternative efficaci che utilizzino materiali più comuni facilmente sintetizzabili, stabili e non tossici.
“Non possiamo sempre scavare la Terra per nuovi materiali”, ha affermato Imre Gyuk, direttore della ricerca sull’accumulo di energia presso l’Office of Electricity del DOE. “Dobbiamo sviluppare un approccio sostenibile con sostanze chimiche che possiamo sintetizzare in grandi quantità, proprio come l’industria farmaceutica e alimentare”.
Il lavoro sulle batterie a flusso fa parte di un ampio programma al PNNL per sviluppare e testare nuove tecnologie per lo stoccaggio di energia su scala di rete che sarà accelerato con l’apertura del Grid Storage Launchpad del PNNL nel 2024.
Una benigna “acqua zuccherata” addolcisce la pentola per un’efficace batteria di flusso
Il team di ricerca del PNNL che ha sviluppato questo nuovo design della batteria comprende ricercatori con esperienza nella sintesi organica e chimica. Queste competenze sono tornate utili quando il team ha scelto di lavorare con materiali che non erano stati utilizzati per la ricerca sulle batterie, ma che sono già prodotti per altri usi industriali.
“Stavamo cercando un modo semplice per dissolvere più fluorenolo nel nostro elettrolita a base acquosa”, ha detto Ruozhu Feng, il primo autore del nuovo studio. “La β-ciclodestrina ha contribuito a farlo, modestamente, ma il vero vantaggio è stata questa sorprendente capacità catalitica”.
I ricercatori hanno poi lavorato con il coautore Sharon Hammes-Schiffer della Yale University, una delle principali autorità sulla reazione chimica alla base della spinta catalitica, per spiegare come funziona.
Come descritto nello studio di ricerca, l’additivo zuccherino accetta protoni caricati positivamente, il che aiuta a bilanciare il movimento degli elettroni negativi mentre la batteria si scarica. I dettagli sono un po’ più complicati, ma è come se lo zucchero addolcisse la pentola per permettere alle altre sostanze chimiche di completare la loro danza chimica.
Lo studio è la prossima generazione di un progetto di batteria a flusso brevettato dal PNNL descritto per la prima volta sulla rivista Science nel 2021. Lì, i ricercatori hanno dimostrato che un’altra sostanza chimica comune, chiamata fluorenone, è un componente efficace della batteria a flusso. Ma quella svolta iniziale necessitava di miglioramenti perché il processo era lento rispetto alla tecnologia della batteria a flusso commercializzata. Questo nuovo progresso rende il design della batteria un candidato per lo scale-up, affermano i ricercatori.
Allo stesso tempo, il team di ricerca sta lavorando per migliorare ulteriormente il sistema sperimentando altri composti simili alla β-ciclodestrina ma più piccoli. Come il miele, anche l’aggiunta di β-ciclodestrina rende il liquido più denso, il che non è l’ideale per un sistema fluido. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che i suoi vantaggi superavano i suoi svantaggi.
Comprendere la complessa chimica che si verifica all’interno del nuovo design della batteria di flusso ha richiesto l’esperienza di molti scienziati, tra cui Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter e Yuyan Shao di PNNL, e Benjamin JG Rousseau e Hammes-Schiffer di Yale, oltre a Feng e Wang.
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