Ricercatori della RMIT University di Melbourne, L'Australia ha dimostrato per la prima volta una "batteria protonica" ricaricabile funzionante che potrebbe ricablare il modo in cui alimentiamo le nostre case, veicoli e dispositivi.

La batteria ricaricabile è ecologica, e ha il potenziale, con ulteriore sviluppo, per immagazzinare più energia rispetto alle batterie agli ioni di litio attualmente disponibili.

Le potenziali applicazioni per la batteria protonica includono lo stoccaggio domestico di elettricità da pannelli solari fotovoltaici, come fatto attualmente dal "Power wall" di Tesla che utilizza batterie agli ioni di litio.

Con alcune modifiche e ridimensionamento, la tecnologia delle batterie protoniche può essere utilizzata anche per lo stoccaggio su media scala sulle reti elettriche, come la gigantesca batteria al litio nell'Australia meridionale, nonché per alimentare veicoli elettrici.

La batteria protonica prototipo funzionante utilizza un elettrodo di carbonio come deposito di idrogeno, accoppiato con una cella a combustibile reversibile per produrre elettricità.

È l'elettrodo di carbonio più i protoni dall'acqua che danno alla batteria di protoni che è ambientale, energia e potenziale vantaggio economico, afferma il ricercatore capo, il professor John Andrews.

"Il nostro ultimo progresso è un passo cruciale verso l'economicità, batterie protoniche sostenibili che possono aiutare a soddisfare le nostre future esigenze energetiche senza danneggiare ulteriormente il nostro già fragile ambiente, " ha detto Andrea.

"Mentre il mondo si muove verso l'energia rinnovabile intrinsecamente variabile per ridurre le emissioni di gas serra e affrontare il cambiamento climatico, i requisiti per l'accumulo di energia elettrica saranno giganteschi.

"La batteria protonica è uno dei tanti potenziali contributori per soddisfare questa enorme domanda di accumulo di energia. Alimentare le batterie con protoni ha il potenziale per essere più economico rispetto all'utilizzo di ioni di litio, che sono fatti da risorse spaventose.

"Carbonio, che è la risorsa primaria utilizzata nella nostra batteria protonica, è abbondante ed economico rispetto sia alle leghe metalliche di immagazzinamento dell'idrogeno, e il litio necessario per le batterie ricaricabili agli ioni di litio."

Durante la ricarica, il carbonio nell'elettrodo si lega ai protoni generati dalla scissione dell'acqua con l'aiuto degli elettroni dell'alimentatore. I protoni vengono rilasciati di nuovo e passano indietro attraverso la cella a combustibile reversibile per formare acqua con ossigeno dall'aria per generare energia. A differenza dei combustibili fossili, il carbonio non brucia né provoca emissioni nel processo.

Gli esperimenti dei ricercatori hanno mostrato che la loro piccola batteria protonica, con una superficie interna attiva di soli 5,5 centimetri quadrati, era già in grado di immagazzinare tanta energia per unità di massa quanto le batterie agli ioni di litio disponibili in commercio. Questo prima che la batteria fosse ottimizzata.

"Il lavoro futuro si concentrerà ora sull'ulteriore miglioramento delle prestazioni e della densità energetica attraverso l'uso di materiali a base di carbonio a strati atomicamente sottili come il grafene, con l'obiettivo di una batteria al protone veramente competitiva con le batterie agli ioni di litio saldamente in vista, " ha detto Andrea.

La ricerca di RMIT sulla batteria protonica è stata in parte finanziata dall'Australian Defense Science and Technology Group e dall'Office of Naval Research Global degli Stati Uniti.

Come funziona la batteria protonica

Il prototipo di batteria protonica funzionante combina gli aspetti migliori delle celle a combustibile a idrogeno e dell'energia elettrica basata sulla batteria.

L'ultima versione combina un elettrodo di carbonio per l'immagazzinamento dell'idrogeno allo stato solido con una cella a combustibile reversibile per fornire un'unità ricaricabile integrata.

L'utilizzo di successo di un elettrodo a base di carbone attivo in una batteria protonica è un significativo passo avanti ed è riportato nel Giornale internazionale dell'energia dell'idrogeno .

Durante la ricarica, i protoni prodotti dalla scissione dell'acqua in una cella a combustibile reversibile sono condotti attraverso la membrana cellulare e si legano direttamente al materiale di accumulo con l'aiuto di elettroni forniti dalla tensione applicata, senza formare idrogeno.

Nella modalità di alimentazione elettrica questo processo è invertito; gli atomi di idrogeno vengono rilasciati dal deposito e perdono un elettrone per diventare di nuovo protoni. Questi protoni poi ritornano attraverso la membrana cellulare dove si combinano con l'ossigeno e gli elettroni dal circuito esterno per riformare l'acqua.

Uno dei principali vantaggi potenziali della batteria protonica è l'efficienza energetica molto più elevata rispetto ai sistemi convenzionali a idrogeno, rendendolo paragonabile alle batterie agli ioni di litio. Le perdite associate all'evoluzione del gas idrogeno e alla scissione in protoni vengono eliminate.

Diversi anni fa il team RMIT dimostrò che una batteria protonica con un elettrodo in lega metallica per immagazzinare idrogeno poteva funzionare, ma la sua reversibilità e ricaricabilità era troppo bassa. Anche la lega impiegata conteneva elementi di terre rare, ed era quindi pesante e costoso.

Gli ultimi risultati sperimentali hanno mostrato che un elettrodo poroso a carbone attivo realizzato in resina fenolica era in grado di immagazzinare circa l'1% in peso di idrogeno nell'elettrodo. Si tratta di un'energia per unità di massa già paragonabile alle batterie agli ioni di litio disponibili in commercio, anche se la batteria protonica è lungi dall'essere ottimizzata. La tensione massima della cella era di 1,2 volt.