I tre costituenti primari della batteria sono:sinistra, alluminio; centro, zolfo; e a destra, cristalli di salgemma. Sono tutti materiali disponibili a livello nazionale, abbondanti nella Terra, che non richiedono una catena di approvvigionamento globale. Credito:Rebecca Miller
Mentre il mondo costruisce installazioni sempre più grandi di sistemi eolici e solari, cresce rapidamente la necessità di sistemi di backup economici e su larga scala per fornire energia quando il sole è calato e l'aria è calma. Le odierne batterie agli ioni di litio sono ancora troppo costose per la maggior parte di tali applicazioni e altre opzioni come l'idropompa richiedono una topografia specifica che non è sempre disponibile.
Ora, i ricercatori del MIT e altrove hanno sviluppato un nuovo tipo di batteria, realizzata interamente con materiali abbondanti e poco costosi, che potrebbe aiutare a colmare questa lacuna.
La nuova architettura della batteria, che utilizza alluminio e zolfo come materiali per i suoi due elettrodi, con un elettrolita salino fuso in mezzo, è descritta nella rivista Nature , in un articolo del professor Donald Sadoway del MIT, insieme ad altri 15 al MIT e in Cina, Canada, Kentucky e Tennessee.
"Volevo inventare qualcosa che fosse migliore, molto migliore, delle batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio stazionario su piccola scala e, in definitiva, per gli [usi] automobilistici", spiega Sadoway, che è John F. Elliott Professor Emeritus of Materials Chemistry.
Oltre ad essere costose, le batterie agli ioni di litio contengono un elettrolita infiammabile, il che le rende tutt'altro che ideali per il trasporto. Così, Sadoway iniziò a studiare la tavola periodica, alla ricerca di metalli economici e abbondanti sulla Terra che potrebbero essere in grado di sostituire il litio. Il metallo commercialmente dominante, il ferro, non ha le giuste proprietà elettrochimiche per una batteria efficiente, dice. Ma il secondo metallo più abbondante sul mercato, e in realtà il metallo più abbondante sulla Terra, è l'alluminio. "Quindi, ho detto, beh, facciamolo come un fermalibri. Sarà in alluminio", dice.
Poi è arrivato a decidere con cosa accoppiare l'alluminio per l'altro elettrodo e che tipo di elettrolita mettere in mezzo per trasportare gli ioni avanti e indietro durante la carica e la scarica. Il più economico di tutti i non metalli è lo zolfo, quindi è diventato il secondo materiale dell'elettrodo. Per quanto riguarda l'elettrolito, "non avremmo usato liquidi organici volatili e infiammabili" che a volte hanno portato a pericolosi incendi nelle automobili e in altre applicazioni delle batterie agli ioni di litio, afferma Sadoway. Hanno provato alcuni polimeri ma hanno finito per esaminare una varietà di sali fusi che hanno punti di fusione relativamente bassi, vicini al punto di ebollizione dell'acqua, invece di quasi 1.000 gradi Fahrenheit per molti sali. "Una volta raggiunta la temperatura corporea vicina, diventa pratico" realizzare batterie che non richiedano speciali misure di isolamento e anticorrosione, afferma.
I tre ingredienti con cui sono finiti sono economici e prontamente disponibili:alluminio, non diverso dalla pellicola al supermercato; zolfo, che è spesso un prodotto di scarto di processi come la raffinazione del petrolio; e sali ampiamente disponibili. "Gli ingredienti sono economici e la cosa è sicura:non può bruciare", afferma Sadoway.
Nei loro esperimenti, il team ha dimostrato che le celle della batteria potrebbero sopportare centinaia di cicli a velocità di carica eccezionalmente elevate, con un costo previsto per cella di circa un sesto di quello di celle agli ioni di litio comparabili. Hanno dimostrato che la velocità di ricarica dipendeva fortemente dalla temperatura di lavoro, con 110 gradi Celsius (230 gradi Fahrenheit) che mostravano velocità 25 volte più veloci di 25 C (77 F).
Sorprendentemente, il sale fuso scelto dal team come elettrolita semplicemente per il suo basso punto di fusione si è rivelato un vantaggio fortuito. Uno dei maggiori problemi nell'affidabilità della batteria è la formazione di dendriti, che sono sottili punte di metallo che si accumulano su un elettrodo e alla fine si espandono per entrare in contatto con l'altro elettrodo, causando un cortocircuito e ostacolando l'efficienza. Ma questo particolare sale, si dà il caso, è molto bravo a prevenire quel malfunzionamento.
Il sale di cloro-alluminato che hanno scelto "essenzialmente ha ritirato questi dendriti in fuga, consentendo anche una carica molto rapida", afferma Sadoway. "Abbiamo fatto esperimenti a velocità di ricarica molto elevate, caricando in meno di un minuto, e non abbiamo mai perso celle a causa del cortocircuito dei dendriti."
"È divertente", dice, perché l'obiettivo era trovare un sale con il punto di fusione più basso, ma i cloro-alluminati concatenati con cui sono finiti si sono rivelati resistenti al problema del cortocircuito. "Se avessimo iniziato cercando di prevenire il cortocircuito dendritico, non sono sicuro che avrei saputo perseguirlo", afferma Sadoway. "Immagino sia stata una fortuna per noi."
Inoltre, la batteria non richiede alcuna fonte di calore esterna per mantenere la sua temperatura di esercizio. Il calore è prodotto naturalmente elettrochimicamente dalla carica e scarica della batteria. "Quando carichi, generi calore e questo impedisce al sale di congelarsi. E poi, quando lo scarichi, genera anche calore", dice Sadoway. In un'installazione tipica utilizzata per il livellamento del carico in un impianto di generazione solare, ad esempio, "immagazzineresti elettricità quando splende il sole, e poi attireresti elettricità dopo il tramonto, e lo faresti ogni giorno. E quella carica-inattività-scarica-inattività è sufficiente per generare abbastanza calore per mantenere la cosa in temperatura."
Questa nuova formulazione di batterie, dice, sarebbe l'ideale per installazioni delle dimensioni circa necessarie per alimentare una singola casa o una piccola e media impresa, producendo nell'ordine di poche decine di kilowattora di capacità di accumulo.
Per installazioni più grandi, fino a una scala di utilità da decine a centinaia di megawattora, altre tecnologie potrebbero essere più efficaci, comprese le batterie a metallo liquido che Sadoway e i suoi studenti hanno sviluppato diversi anni fa e che hanno costituito la base per una società spin-off chiamata Ambri, che spera per consegnare i suoi primi prodotti entro il prossimo anno. Per tale invenzione, Sadoway è stato recentemente insignito dell'European Inventor Award di quest'anno.
La scala ridotta delle batterie alluminio-zolfo le renderebbe anche pratiche per usi come stazioni di ricarica per veicoli elettrici, afferma Sadoway. Sottolinea che quando i veicoli elettrici diventano abbastanza comuni sulle strade che più auto vogliono ricaricare contemporaneamente, come accade oggi con le pompe di benzina, "se provi a farlo con le batterie e vuoi una ricarica rapida, gli amperaggi sono solo così alto che non abbiamo quella quantità di amperaggio nella linea che alimenta la struttura". Quindi avere un sistema di batterie come questo per immagazzinare energia e poi rilasciarlo rapidamente quando necessario potrebbe eliminare la necessità di installare nuove e costose linee elettriche per servire questi caricabatterie.
La nuova tecnologia è già la base per una nuova società spin-off chiamata Avanti, che ha concesso in licenza i brevetti al sistema, co-fondata da Sadoway e Luis Ortiz '96 ScD '00, che è stato anche co-fondatore di Ambri. "Il primo compito dell'azienda è dimostrare che funziona su larga scala", afferma Sadoway, per poi sottoporlo a una serie di stress test, tra cui l'esecuzione di centinaia di cicli di ricarica.
Una batteria a base di zolfo rischierebbe di produrre i cattivi odori associati ad alcune forme di zolfo? Non è una possibilità, dice Sadoway. "L'odore di uovo marcio è nel gas, acido solfidrico. Questo è zolfo elementare e sarà racchiuso all'interno delle cellule". Se dovessi provare ad aprire una cella agli ioni di litio nella tua cucina, dice (e per favore non provarlo a casa!), "l'umidità nell'aria reagirebbe e inizieresti a generare ogni sorta di fallo anche i gas. Queste sono domande legittime, ma la batteria è sigillata, non è una nave aperta. Quindi non me ne preoccuperei."
Il team di ricerca comprendeva membri dell'Università di Pechino, dell'Università dello Yunnan e dell'Università della Tecnologia di Wuhan, in Cina; l'Università di Louisville, nel Kentucky; l'Università di Waterloo, in Canada; Laboratorio nazionale di Oak Ridge, nel Tennessee; e MIT. + Esplora ulteriormente
