Mentre i ricercatori lavorano ai veicoli elettrici di prossima generazione, potrebbero sbattere la testa sul soffitto di ciò che le batterie agli ioni di litio possono fornire.

Nel frattempo, un team di ricercatori dell'Università del Michigan sta spingendo le prestazioni di una tecnologia dei veicoli elettrici concorrente, le celle a combustibile a idrogeno, a nuovi livelli.

Una cella a combustibile a idrogeno è una fonte di energia a emissioni zero che agisce come un incrocio tra una batteria e un serbatoio di gas. Utilizza l'idrogeno come combustibile e sfrutta la reazione tra idrogeno e ossigeno per produrre elettricità. L'unica "emissione" è l'acqua.

Un limite di questa tecnologia è la capacità di immagazzinare quantità sufficienti di idrogeno a bordo. I ricercatori della UM hanno identificato modi per stipare più idrogeno che mai in piccole strutture di stoccaggio chiamate strutture metallo-organiche, aumentando la densità di energia, e, di conseguenza, l'autonomia prevista di un veicolo a celle a combustibile.

Strutture organiche in metallo, o MOF, sono materiali di design composti da ioni metallici accoppiati con molecole organiche. La loro natura porosa rende alcuni MOF tra i modi più promettenti per immagazzinare idrogeno.

I ricercatori del Michigan hanno raccolto informazioni su tutti i MOF disponibili, quelli costruiti in precedenza e quelli che rimangono ipotetici, in una banca dati. Simulazioni al computer ad alto rendimento sono state quindi utilizzate per setacciare la banca dati risultante di quasi 500, 000 MOF per coloro che hanno capacità promettenti.

Sono stati identificati tre candidati che potrebbero superare i record precedenti per lo stoccaggio dell'idrogeno. I ricercatori hanno quindi sintetizzato questi materiali e ne hanno dimostrato le prestazioni.

"Stiamo dimostrando uno stoccaggio più denso di energia rispetto a quanto mostrato in precedenza, " disse don Siegel, Professore associato di ingegneria meccanica UM. "Potresti descriverlo come più efficiente:mettere più energia in uno spazio più piccolo e in un pacchetto più leggero".

Come pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura , i tre MOF sono soprannominati SNU-70, UMCM-9 e PCN-610/NU-100. Ognuno ha superato le prestazioni di IRMOF-20, un altro MOF identificato dal team nel 2017.

"Questi materiali stabiliscono un nuovo limite massimo per le capacità di idrogeno utilizzabili nei MOF, " afferma lo studio.

Le celle a combustibile a idrogeno sono da tempo promesse come fonte di energia senza emissioni per le auto elettriche. Loro hanno, però, passato in secondo piano alle batterie agli ioni di litio, che troverai all'interno della maggior parte dei dispositivi elettronici portatili prodotti oggi, dai telefoni cellulari e tablet, alle fotocamere digitali e ai veicoli elettrici.

I sistemi di celle a combustibile a idrogeno presentano numerosi vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio. L'elemento più abbondante nell'universo, l'idrogeno è molto più comune del litio, quindi ci sono poche possibilità che ci sia mai un problema di approvvigionamento.

E un'auto a celle a combustibile a idrogeno può ricaricarsi in una stazione in pochi minuti, circa lo stesso tempo necessario per riempire un serbatoio di benzina ora. In contrasto, i tempi di ricarica completa per i veicoli elettrici a batteria al litio sono generalmente misurati in ore.

Ci sono inconvenienti che hanno limitato l'abbraccio dell'industria automobilistica all'idrogeno, però. Per esempio, la produzione di idrogeno è attualmente molto più costosa dell'estrazione e della raffinazione del petrolio.

Il trasporto di idrogeno è un altro problema. Come un gas, è difficile spostare e immagazzinare in modo efficiente grandi quantità di idrogeno, sollevando interrogativi se debba essere spostato in forma liquida in semirimorchi o trasportato attraverso le condutture come gas.

Ma il richiamo di ciò che l'idrogeno potrebbe potenzialmente significare per le auto, e l'ambiente, ha mantenuto importanti case automobilistiche come Ford, Hyundai, Toyota, Honda e GM coinvolti nel suo sviluppo.

I progettisti di veicoli elettrici cercano costantemente di ridurre le dimensioni del sistema di alimentazione di un'auto per aumentare l'efficienza. Aumentando la quantità di idrogeno che può essere immagazzinata in un adsorbente MOF, Siegel ha detto, la pressione necessaria per immagazzinarlo può essere ridotta. Anche le dimensioni del serbatoio possono essere ridotte.

"Vogliamo eliminare il problema dell'accumulo di energia per i veicoli a celle a combustibile a idrogeno. Questo dimostra che ci stiamo muovendo in quella direzione, " disse Siegel.