Energia rinnovabile immagazzinata in batterie organiche

Le batterie a celle di flusso redox sono una delle risposte più promettenti al problema dello stoccaggio energetico delle fonti rinnovabili, ma un team di ricerca dell’Université de Montréal e della Concordia University ha alzato l’asticella: usare una molecola organica capace di immagazzinare energia per mesi con perdite minime. Ma c’è un limite. Le batterie redox non hanno ancora fatto breccia nel settore dello storage a causa dei costi elevati iniziali, bassa densità energetica e l’immaturità tecnologica rispetto alle tradizionali ioni di litio. Eppure industria e comunità scientifica concordano che potenzialmente sarebbero perfette per l’accumulo stagionale: ad esempio produrre energia solare/eolica nei mesi ideali e consumarla (o venderla) in altri.

Come funzionano le redox

Si tratta di batterie a flusso che immagazzinano energia in elettroliti liquidi separati in serbatoi esterni, pompati attraverso una cella elettrochimica per reazioni redox reversibili. Al contrario, le batterie agli ioni di litio usano ioni di litio solidi che si muovono tra elettrodi in una struttura compatta. Nel primo caso più grandi sono i serbatoi, maggiore è la capacità di stoccaggio. Al centro della cella si trova una membrana attraverso la quale i liquidi provenienti da entrambi i serbatoi scorrono senza mai mescolarsi. Di fatto le molecole non attraversano la membrana, ma condividono solo i loro elettroni trasferendoli attraverso i rispettivi elettrodi. Questa sorta di “contatto” produce il fenomeno di ossidoriduzione (appunto redox) che consente la ricarica o la scarica della cella a combustibile.

“La differenza con una batteria a flusso redox tradizionale è che utilizziamo un materiale attivo sotto forma di molecole organiche (AzoBiPy) potenzialmente rinnovabili che vengono disciolte in una soluzione acquosa e immagazzinate all’esterno delle batterie”, ha spiegato il professore Dominic Rochefort della Concordia University sul blog dell’università canadese. Inoltre, come sottolineano i ricercatori, la separazione tra energia immagazzinata nei serbatoi e potenza prodotta nella cella a combustibile consente di dimensionare i rispettivi parametri in modo indipendente a seconda delle esigenze.

Perdono energia molto lentamente

La ricerca del team canadese, pubblicata sul Journal of the American Chemical Society, svela che i test di laboratorio della batteria a flusso redox basata su sulla molecola AzoBiPy sono durati circa 70 giorni. E anche che in questo arco di tempo si è registrata una perdita di capacità giornaliera del solo 0,02%. In pratica a distanza di mesi la dispersione sarebbe molto ridotta. Non di meno proprio AzoBiPy ha la capacità unica di immagazzinare il doppio dell’energia rispetto alle molecole più diffuse nel settore. Normalmente infatti si impiega il vanadio, che sebbene come metallo vanti buone proprietà elettrochimiche non rientra però tra le soluzioni rinnovabili. Impiegare molecole organiche in tal senso è un grande vantaggio.

“La molecola organica che abbiamo sviluppato contiene carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno. Si combina con acqua e acidi e si ossida per creare la reazione di accumulo di energia”, ha assicurato la professoressa Hélène Lebel, specialista in sintesi organica dell’UdeM. Insieme ai colleghi ha testato diversi tipi di gruppi molecolari e identificato come ideale per l’accumulo di energia AzoBiPy, un appartenente alla famiglia dei piridini – che notoriamente facilitano lo scambio di elettroni. Attualmente le molecole di base vengono acquistate da aziende specializzate, ma è in atto una valutazione sulla possibilità di impiegare “molecole di origine biologica derivate dal legno o dagli scarti alimentari”.

Le prossime sfide

AzoBiPy gode del vantaggio di essere in grado di poter ​​scambiare due elettroni anziché uno e quindi può immagazzinare il doppio dell’energia rispetto alle molecole a singolo elettrone. Ma secondo Lebel la sfida di queste molecole organiche è renderle stabili: “il ciclo di carica e scarica deve poter avvenire per un lungo periodo senza che la molecola si decomponga”.

In 70 giorni di test sono stati registrati 192 cicli completi di carica e scarica a fronte di una capacità finale superiore al 99%. Un ottimo risultato che fa ben sperare per la prossima fase, ovvero individuare un’intera classe di composti (per l’accumulo di energia rinnovabile) capace di rispondere a ogni esigenza, persino industriale. Da sottolineare poi che essendo a base d’acqua si tratta di una soluzione non infiammabile, perfetta anche per la larga scala, a differenza delle batterie agli ioni di litio, che possono presentare un rischio di incendio.

La prospettiva di diffusione della tecnologia è di 10/15 anni. “Potrebbe essere possibile anche progettare applicazioni su scala più ridotta, con batterie più ecologiche e sicure per gli impianti domestici”, ha concluso Lebel. Nel frattempo il brevetto è in fase di registrazione