Nel 2020, La Cina prevede di lanciare il più grande complesso di batterie al mondo con una capacità di 800 MW*h (approssimativamente questa quantità di energia all'anno viene consumata da una famiglia con 200 appartamenti). Questo complesso non si basa sulle solite batterie agli ioni di litio o al piombo, ma sulla batteria a flusso redox dove l'elettricità è immagazzinata sotto forma di energia chimica delle soluzioni:elettroliti. La batteria è costituita da due serbatoi in cui vengono immagazzinati gli elettroliti e il gruppo membrana-elettrodo (MEA)—le soluzioni vengono fornite alla MEA da pompe dove subiscono reazioni elettrochimiche che forniscono la carica e la scarica della batteria.

A causa di questa configurazione, batterie a flusso redox, a differenza di molti altri dispositivi di accumulo di energia, consentire il ridimensionamento indipendente della potenza e della capacità della batteria, che sono determinati dalla dimensione del MEA e dal volume dell'elettrolita, rispettivamente. Inoltre, le batterie a flusso redox mostrano un'autoscarica minima per lunghi periodi e i loro elettroliti non si degradano nemmeno dopo decine di migliaia di cicli operativi, rendendoli candidati promettenti per lo stoccaggio di grandi quantità di energia nelle reti elettriche intelligenti. Per esempio, possono immagazzinare l'elettricità in eccesso generata dalle celle solari fotovoltaiche durante il giorno e generare elettricità di riserva di notte o con tempo nuvoloso.

"Le batterie a flusso vengono integrate attivamente nelle reti elettriche della Cina, Germania e altri paesi, da una parte, e d'altra parte, continuano ad essere sviluppate e perfezionate nei laboratori, " commenta uno degli autori dell'opera, ricercatore presso il Centro di Competenza NTI presso IPCP RAS, Dmitry Konev. "Abbiamo proposto un design completamente nuovo di MEA, che faciliterà il processo di ricerca e ridurrà notevolmente la soglia di ingresso per nuovi gruppi di ricerca in quest'area. Nel futuro, ciò contribuirà a realizzare progressi significativi e porterà le risorse energetiche distribuite dal posizionamento di nicchia a un livello molto elevato di commercializzazione, anche in Russia».

Panino con farcitura laser

Il MEA è il cuore della batteria di flusso. Sembra un sandwich di diversi materiali in fogli, diviso in due parti simmetriche fornite di un proprio elettrolita. Quando la batteria è collegata a un alimentatore, l'unico elettrolita è ossidato, mentre un altro si sta riducendo e quindi la batteria è carica. Dopo di che, la fonte di alimentazione può essere scollegata e sostituita con un consumatore di energia:gli elettroliti subiranno processi inversi e la batteria inizierà a scaricarsi.

Una parte importante della MEA sono le piastre del campo di flusso, strati sandwich attraverso i quali l'elettrolita viene pompato agli elettrodi dove gli elettroliti vengono ossidati o ridotti. Le prestazioni della batteria, cioè potenza ed efficienza, dipendono fortemente da come sono organizzati i campi di flusso. Perciò, i ricercatori spesso selezionano diversi tipi di campi per ottimizzare le prestazioni della batteria, ma questo è un compito molto laborioso:i campi di flusso sono fresati in lastre di grafite dense, che è una procedura che richiede tempo. I ricercatori russi hanno proposto un approccio diverso.

"Formiamo campi di flusso utilizzando diversi strati sottili di materiali di grafite flessibile:i modelli necessari in essi vengono tagliati da un laser e quindi questi strati vengono sovrapposti l'uno all'altro per ottenere il campo richiesto, "dice il primo autore dell'opera, Roman Pichugov, ricercatore alla Mendeleev University. "La procedura per creare i campi di flusso richiede solo pochi minuti, che è molto meno della fresatura tradizionale della grafite. Più, vengono utilizzati materiali più economici, e come risultato, c'è più spazio per la variazione e la selezione dei campi di flusso."

Dalla cella allo stack

Le batterie a flusso possono funzionare con diversi tipi di elettroliti. I più comuni (compresi quelli che sono installati in Cina e vengono introdotti in altri paesi) utilizzano elettroliti di vanadio, vale a dire soluzioni di sali di vanadio. Questo è l'elettrolita su cui gli scienziati russi hanno testato il design delle loro celle. Hanno selezionato vari tipi di campi di flusso, variato la portata dell'elettrolita e ottenuto risultati che a livello qualitativo coincidono con i migliori studi mondiali e a livello quantitativo li superano anche di poco:la potenza del MEA testato superava di poco la potenza di celle simili su grafite.

Così, il nuovo design di MEA sta semplificando notevolmente i test di laboratorio e in futuro può essere utilizzato in veri e propri sistemi di accumulo di energia per reti elettriche distribuite. Scienziati russi in collaborazione con InEnergy LLC stanno sviluppando e testando una batteria a flusso di vanadio composta da 10 di queste celle con una potenza totale di 20 watt. La costruzione della cella stessa e lo stack di 10 celle sono protetti da brevetti, l'ultimo dei quali appartiene alla società ADARM, creato dai dipendenti del MUCTR. Inoltre, gli scienziati stanno sviluppando altri tipi di batterie a flusso che utilizzano diversi elettroliti sulla base del progetto proposto di MEA.