DWP1LA16_16 R.T. Sviluppo e messa a punto di nuove configurazioni di batteria ceramica ricaricabile (R.E. 04/2020)

Le batteria ad alta temperatura, attualmente, sviluppate a livello internazionale, consistono in una cella ceramica reversibile del tipo "cella a combustibile ad ossidi solidi" (SOFC) / "cella di elettrolisi ad ossidi solidi" (SOEC). In tale configurazione l'elettrodo negativo è a base di Ni ed in contatto con del vapore acqueo che si trasforma in idrogeno. Questo riduce l'ossido di ferro contenuto nel compartimento anodico ma separato dall'elettrodo di Ni. Per fare reagire l'ossido con l'idrogeno sono correntemente utilizzati catalizzatori e promotori. A causa della presenza del vapore acqueo, il compartimento deve essere sempre perfettamente sigillato per evitare che eventuali infiltrazioni di aria possano dar luogo ad una scarica spontanea per effetto dell'ossidazione del Fe metallico che si è formato durante il processo di carica. Queste caratteristiche della batteria Fe-aria convenzionale possiedono specifici vantaggi legati alla elevata cinetica di reazione all'interfaccia Ni/H2O-H2 e Fe/ H2O-H2 tuttavia vi sono complicazioni in termini di sealing della cella, di sicurezza inerenti alla formazione di miscele di idrogeno e vapore ad alta temperatura e di ciclabilità. La configurazione proposta, nell'ambito del progetto, riguarda, invece, un sistema interamente a stato solido dove lo strato di Fe/Fe2O3 costituisce l'anodo (elettrodo negativo-elettrodo di ferro) ed è in contatto con un elettrolita ceramico su cui è depositato l'elettrocatalizzatore a base di perovskite per la reazione reversibile di riduzione ed ossidazione dell'ossigeno al catodo. In questo sistema, le reazioni avvengono solo allo stato solido coinvolgendo l'utilizzo ed il rilascio di ioni ossigeno che ad alta temperatura migrano rapidamente negli ossidi attraverso un meccanismo di "hopping" che coinvolge le vacanze reticolari. Tali proprietà rendono il sistema intrinsecamente sicuro e flessibile per l'utilizzo in diverse condizioni. I sistemi finora sviluppati hanno riguardato batterie Fe-aria ad elettrolita supportante (spessore circa 0.5-1 mm) a base di gallato di lantanio che non ha favorito il raggiungimento di prestazioni elevate per le elevate cadute ohmiche. Inoltre, per evitare delaminazioni nelle fasi di carica/scarica è stato scelto, nelle precedenti attività, un elettrodo anodico a film sottile con conseguenti limitazioni nella densità di corrente. Per le batterie ad alta temperatura Ferro-aria ricaricabile, l'attività del PT 2019-21 per il I anno è quindi rivolta allo sviluppo di nuove configurazioni di cella con elettroliti a film sottili ad anodo supportante che includono ossidi di ferro nano/micro-strutturati in grado di incrementare la densità di corrente e fornire prestazioni elevate. Tali dispositivi saranno validati in un prototipo di cella singola in grado di raggiungere gli obiettivi prefissati in termini di capacità e densità di energia.