Come immagazzini l'energia rinnovabile in modo che sia lì quando ne hai bisogno, anche quando il sole non splende o il vento non soffia? Batterie giganti progettate per la rete elettrica, chiamate batterie a flusso, che immagazzinano elettricità in serbatoi di elettrolita liquido, potrebbe essere la risposta, ma finora le aziende di servizi pubblici devono ancora trovare una batteria conveniente in grado di alimentare in modo affidabile migliaia di case per un ciclo di vita compreso tra 10 e 20 anni.

Ora, una tecnologia a membrana della batteria sviluppata dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti potrebbe indicare una soluzione.

Come riportato nel giornale di Joule , i ricercatori hanno sviluppato una membrana della batteria versatile ma conveniente, da una classe di polimeri noti come AquaPIM. Questa classe di polimeri rende possibili batterie a griglia di lunga durata e a basso costo basate esclusivamente su materiali prontamente disponibili come zinco, ferro da stiro, e acqua. Il team ha anche sviluppato un semplice modello che mostra come le diverse membrane della batteria influenzino la durata della batteria, che dovrebbe accelerare la fase iniziale di ricerca e sviluppo per le tecnologie delle batterie a flusso, in particolare nella ricerca di una membrana adatta a diverse tipologie di batterie.

"La nostra tecnologia a membrana AquaPIM è ben posizionata per accelerare il percorso verso il mercato per le batterie a flusso che utilizzano scalabili, basso costo, chimiche a base d'acqua, " disse Brett Helms, un ricercatore principale nel Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) e uno scienziato del personale presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab che ha guidato lo studio. "Utilizzando la nostra tecnologia e i relativi modelli empirici per le prestazioni e la durata della batteria, altri ricercatori potranno valutare velocemente la prontezza di ogni componente che va nella batteria, dalla membrana ai materiali accumulatori di carica. Ciò dovrebbe far risparmiare tempo e risorse sia ai ricercatori che agli sviluppatori di prodotti".

La maggior parte delle batterie chimiche a griglia ha elettrodi altamente alcalini (o basici):un catodo caricato positivamente su un lato, e un anodo caricato negativamente sull'altro lato. Ma le attuali membrane all'avanguardia sono progettate per sostanze chimiche acide, come le membrane fluorurate presenti nelle celle a combustibile, ma non per batterie a flusso alcalino. (In chimica, Il pH è una misura della concentrazione di ioni idrogeno di una soluzione. L'acqua pura ha un pH di 7 ed è considerata neutra. Le soluzioni acide hanno un'alta concentrazione di ioni idrogeno, e sono descritti come aventi un pH basso, o un pH inferiore a 7. D'altra parte, le soluzioni alcaline hanno basse concentrazioni di ioni idrogeno e quindi hanno un pH elevato, o un pH superiore a 7. Nelle batterie alcaline, il pH può arrivare fino a 14 o 15.)

Anche le membrane polimeriche fluorurate sono costose. Secondo Helms, possono costituire dal 15% al ​​20% del costo della batteria, che può funzionare nell'intervallo di $ 300/kWh.

Un modo per ridurre il costo delle batterie a flusso è eliminare del tutto le membrane polimeriche fluorurate e trovare un'alternativa ad alte prestazioni ma più economica come AquaPIM, disse Miranda Baran, uno studente laureato ricercatore nel gruppo di ricerca di Helms e l'autore principale dello studio. Baran è anche un Ph.D. studente presso il Dipartimento di Chimica dell'UC Berkeley.

Tornare alle origini

Helms e co-autori hanno scoperto la tecnologia AquaPIM, che sta per "polimeri acquosi compatibili di microporosità intrinseca", mentre sviluppavano membrane polimeriche per sistemi acquosi alcalini (o basici) come parte di una collaborazione con il coautore Yet-Ming Chiang, un investigatore principale in JCESR e Kyocera Professor of Materials Science and Engineering presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Attraverso questi primi esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che le membrane modificate con una sostanza chimica esotica chiamata "amidoxime" consentivano agli ioni di viaggiare rapidamente tra l'anodo e il catodo.

Dopo, valutando le prestazioni della membrana AquaPIM e la compatibilità con diversi tipi di batterie a griglia, ad esempio, una configurazione sperimentale utilizzava lo zinco come anodo e un composto a base di ferro come catodo:i ricercatori hanno scoperto che le membrane AquaPIM portano a cellule alcaline notevolmente stabili.

Inoltre, hanno scoperto che i prototipi AquaPIM hanno mantenuto l'integrità dei materiali di immagazzinamento della carica nel catodo e nell'anodo. Quando i ricercatori hanno caratterizzato le membrane presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, i ricercatori hanno scoperto che queste caratteristiche erano universali nelle varianti di AquaPIM.

Baran e i suoi collaboratori hanno quindi testato le prestazioni di una membrana AquaPIM con un elettrolita alcalino acquoso. In questo esperimento, hanno scoperto che in condizioni alcaline, Le amidossime legate al polimero sono stabili, un risultato sorprendente considerando che i materiali organici non sono generalmente stabili a pH elevato.

Tale stabilità ha impedito il collasso dei pori della membrana AquaPIM, permettendo così loro di rimanere conduttivi senza alcuna perdita di prestazioni nel tempo, considerando che i pori di una membrana commerciale in fluoropolimero sono collassati come previsto, a scapito delle sue proprietà di trasporto ionico, Helms spiegato.

Questo comportamento è stato ulteriormente corroborato dagli studi teorici di Artem Baskin, un ricercatore post-dottorato che lavora con David Prendergast, che è il direttore ad interim della fonderia molecolare di Berkeley Lab e un investigatore principale in JCESR insieme a Chiang e Helms.

Baskin ha simulato le strutture delle membrane AquaPIM utilizzando risorse computazionali presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab e ha scoperto che la struttura dei polimeri che compongono la membrana era significativamente resistente al collasso dei pori in condizioni altamente basiche in elettroliti alcalini.

Un test dello schermo per batterie migliori

Durante la valutazione delle prestazioni e della compatibilità della membrana AquaPIM con diversi tipi di batterie a griglia, i ricercatori hanno sviluppato un modello che legava le prestazioni della batteria alle prestazioni di varie membrane. Questo modello potrebbe prevedere la durata e l'efficienza di una batteria a flusso senza dover costruire un intero dispositivo. Hanno anche dimostrato che modelli simili potrebbero essere applicati ad altri prodotti chimici delle batterie e alle loro membrane.

"Tipicamente, dovresti aspettare settimane se non mesi per capire quanto durerà una batteria dopo aver assemblato l'intera cella. Utilizzando un semplice e veloce schermo a membrana, potresti ridurlo a poche ore o giorni, " disse Helms.

I ricercatori hanno in programma di applicare le membrane AquaPIM in un ambito più ampio di chimica delle batterie a flusso acquoso, da metalli e inorganici a organici e polimeri. Anticipano inoltre che queste membrane sono compatibili con altre batterie acquose alcaline di zinco, comprese le batterie che utilizzano ossigeno, ossido di manganese, o strutture metallo-organiche come il catodo.

Ricercatori del Berkeley Lab, UC Berkeley, Istituto di Tecnologia del Massachussetts, e Istituto Italiano di Tecnologia hanno partecipato allo studio.