Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory hanno sviluppato un componente cruciale per un nuovo tipo di sistema di batterie stazionarie a basso costo che utilizza materiali comuni e progettato per lo stoccaggio di elettricità su scala di rete.

Grande, sistemi economici di accumulo dell'energia elettrica possono avvantaggiare la rete nazionale in molti modi:bilanciando i carichi tra gli orari di punta e non di punta della domanda; fornitura di energia durante le interruzioni; immagazzinare elettricità da fonti fluttuanti come l'energia eolica e solare; e la possibilità di ricarica estremamente rapida dei veicoli elettrici.

La rete si basa principalmente su impianti idroelettrici per lo stoccaggio di energia, anche se i sistemi stazionari che utilizzano batterie agli ioni di litio sono in aumento. Però, il litio è costoso e proviene principalmente da paesi al di fuori degli Stati Uniti.

Alcune utility hanno testato sistemi di batterie a flusso redox (RFB) che sono un incrocio tra una batteria convenzionale e una cella a combustibile. Gli RFB sono adatti alle applicazioni di rete perché sono durevoli, longevo, facilmente scalabile, e avere un tempo di risposta rapido. Però, la maggior parte degli RFB attualmente testati si basa su un sistema a base d'acqua (acquoso), che riduce la quantità di elettricità che può essere immagazzinata, chiamata anche densità di energia.

Una batteria a flusso non acquoso che utilizza comuni, materiali a basso costo al posto dell'acqua e in grado di immagazzinare maggiori quantità di energia in un volume minore è stata una priorità assoluta per gli scienziati delle batterie. Uno degli ostacoli è stato lo sviluppo di una membrana adatta per separare gli elettroliti positivi e negativi nella batteria consentendo il trasferimento di ioni.

Gli scienziati dell'ORNL hanno ora sviluppato una membrana per un a base di sodio, RFB non acquosi che potrebbero raddoppiare o triplicare la densità di energia tipicamente osservata negli RFB a base acquosa. Il lavoro è finanziato dall'Ufficio per l'elettricità del Dipartimento dell'Energia e dal suo programma di accumulo di energia, e da finanziamenti diretti dal laboratorio presso l'ORNL.

La membrana è costituita da un comune, polimero a basso costo, ossido di polietilene (PEO). La sua conduttività è stata migliorata di ben 100 volte con l'aggiunta di un plastificante:tetraetilene glicole dimetil etere. Però, la miscela ha anche ridotto la resistenza meccanica della membrana. Per compensare tale effetto, gli scienziati hanno mescolato il PEO con la carbossimetilcellulosa, un altro comune, materiale sicuro spesso utilizzato come addensante nell'industria alimentare. La combinazione di tutte e tre le sostanze si traduce in una membrana molto resistente che dovrebbe funzionare bene nelle batterie ad alta energia.

"I sistemi redox non acquosi operano ad alta tensione, consentendo una maggiore densità di energia. Ma la chiave è raggiungere un'elevata densità di energia senza alcuna penalità di costo, " disse Jagjit Nanda, ricercatore principale del progetto nella Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL.

Rosa Ruther, un collaboratore della Divisione di Scienze dell'Energia e dei Trasporti, ha detto "questo riguarda davvero la chimica del sistema e la comprensione di come tutto si collega e perché stiamo ottenendo questo grande miglioramento nella conduttività con la membrana".

La ricerca è dettagliata in un articolo di giornale, "Basso costo, meccanicamente robusto, membrane conduttrici di ioni di sodio per batterie a flusso redox non acquose, " recentemente pubblicato in ACS Energy Letters .

"C'è una grande spinta per trovare soluzioni di accumulo di energia per la rete. I grandi sistemi di accumulo di energia possono essere una proposta molto costosa, " ha detto Ruther. "Il costo varia con le dimensioni, quindi se possiamo aumentare la densità di energia, che può tradursi in un grande risparmio."

"Il Santo Graal è un sistema che non usa scarse, risorse costose e ha un maggiore potenziale di commercializzazione a un costo inferiore" rispetto alle attuali tecnologie delle batterie, ha detto Nanda. "L'anello più debole del sistema è la membrana, e abbiamo fatto progressi per risolvere questo problema con questo nuovo, prototipo a basso costo."

Il prossimo passo del progetto è sviluppare ulteriormente la membrana per renderla più selettiva nell'impedire l'incrocio di controioni e per migliorarne la flessibilità meccanica e la robustezza.