A basso costo, La chimica delle batterie ad alte prestazioni sviluppata dai ricercatori dell'Università del Colorado Boulder potrebbe un giorno portare a uno stoccaggio scalabile a livello di rete per l'energia eolica e solare che potrebbe aiutare le aziende elettriche a ridurre la loro dipendenza dai combustibili fossili.

La nuova innovazione, descritto oggi sul giornale Joule , delinea due batterie a flusso acquoso, note anche come batterie a flusso redox, che utilizzano cromo e leganti organici per ottenere un voltaggio eccezionale e alte efficienze. I componenti sono abbondanti in natura, offrendo una promessa futura per una produzione economicamente vantaggiosa.

"Siamo entusiasti di segnalare alcuni dei prodotti chimici delle batterie più performanti di sempre, oltre i limiti precedenti, " ha detto Michael Marshak, autore senior dello studio e assistente professore presso il Dipartimento di Chimica della CU Boulder. "I materiali sono a basso costo, non tossico e facilmente disponibile."

Le fonti energetiche rinnovabili forniscono una quota crescente della produzione elettrica degli Stati Uniti, ma attualmente manca una soluzione su larga scala per immagazzinare l'energia raccolta e reimpiegarla per soddisfare la domanda durante i periodi in cui il sole non splende e il vento non soffia.

"Ci sono discrepanze tra domanda e offerta sulla rete energetica durante il giorno, " disse Marshak, che è anche membro dell'Istituto per le energie rinnovabili e sostenibili (RASEI). "Il sole potrebbe soddisfare le esigenze della rete al mattino, ma la domanda tende a raggiungere il picco nel tardo pomeriggio e continuare fino alla sera dopo che il sole è tramontato. Proprio adesso, le società di servizi pubblici devono colmare questa lacuna aumentando rapidamente la produzione di carbone e gas naturale, proprio come prenderesti una macchina da zero a sessanta."

Sebbene gli ioni di litio possano fornire energia per applicazioni su piccola scala, avresti bisogno di milioni di batterie per fare il backup anche di una piccola centrale elettrica a combustibili fossili per un'ora, dice Marshak. Ma mentre la chimica degli ioni di litio è efficace, non è adatto a soddisfare la capacità di un intero campo di turbine eoliche o di un array di pannelli solari.

"Il problema di base con le batterie agli ioni di litio è che non scalano molto bene, " Disse Marshak. "Più materiale solido aggiungi, più resistenza aggiungi e quindi tutti gli altri componenti devono aumentare in tandem. Quindi in sostanza, se vuoi il doppio dell'energia, è necessario costruire il doppio delle batterie e questo non è conveniente quando si parla di così tanti megawattora".

Le batterie a flusso sono state identificate come una strada più promettente. Le batterie acquose mantengono i loro principi attivi separati in forma liquida in grandi serbatoi, consentendo al sistema di distribuire l'energia in modo gestito, simile al modo in cui un serbatoio di gas fornisce una combustione costante del carburante al motore di un'auto quando si preme il pedale.

Sebbene ci siano alcuni esempi di batterie a flusso che funzionano costantemente per decenni (come in Giappone), hanno lottato per ottenere un ampio punto d'appoggio nelle operazioni commerciali e municipali a causa in parte delle loro dimensioni ingombranti, costi di esercizio elevati e tensione relativamente bassa.

"La dimensione è un problema minore per i sistemi su scala di rete, perché sarebbe solo attaccato a una struttura già grande, " Marshak ha detto. "Ciò che conta è il costo, ed è questo che volevamo migliorare".

I ricercatori sono tornati alle origini, riesaminando la chimica delle batterie a flusso che era stata studiata anni fa, ma abbandonato. La chiave si è rivelata combinare agenti leganti organici, o chelati, con ioni di cromo per stabilizzare un potente elettrolita.

"Alcune persone hanno adottato questo approccio prima, ma non aveva prestato sufficiente attenzione ai leganti, " ha detto Brian Robb, autore principale del nuovo studio e studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica (CHBE). "Devi adattare il chelato allo ione metallico e abbiamo lavorato molto per trovare quello giusto che li legasse strettamente".

Marshak, Robb e il co-autore Jason Farrell chelato personalizzato noto come PDTA crea uno "scudo" attorno all'elettrone di cromo, impedendo all'acqua di ostacolare il reagente e consentendo a una delle celle della batteria di disperdere 2,13 volt, quasi il doppio della media operativa per una batteria a flusso.

PDTA è uno spin-off di EDTA, un agente già utilizzato in alcuni saponi per le mani, conservanti alimentari e trattamenti delle acque municipali grazie alle sue proprietà antibatteriche. L'EDTA è considerato non tossico. La chimica utilizza anche la forma benigna del cromo, lo stesso tipo utilizzato negli strumenti chirurgici in acciaio inossidabile.

"Abbiamo fatto funzionare questo a un pH relativamente neutro di 9, a differenza di altre batterie che utilizzano acido altamente corrosivo con cui è difficile lavorare e difficile da smaltire in modo responsabile, " ha detto Robb. "Questo è più simile al detersivo per bucato".

"Potresti ordinare 15 tonnellate di questi materiali domani se volessi, perché ci sono già fabbriche che li producono, "ha aggiunto Marshak.

Marshak e Robb hanno depositato un brevetto sull'innovazione con l'assistenza di CU Boulder Venture Partners. Hanno in programma di continuare a ottimizzare il loro sistema, including scaling it up in the lab in order to cycle the battery for even longer periods of time.

"We've solved the problem on a fundamental level, " Marshak said. "Now there are a lot of things we can try in order to keep pushing the performance limit."