Ricerca di Sistema (PAR 2019-2021) - WP1- LA1.17 Sviluppo di elettroliti e design di cella a garanzia della sicurezza operativa tra 500-800°C

Con la domanda di energia in costante crescita e il consenso sociale sulla protezione dell'ambiente, le energie pulite e rinnovabili come il solare e l'eolico stanno attirando una crescente attenzione come alternative ai combustibili fossili tradizionali. Tuttavia, la loro natura intermittente rende l'integrazione su larga scala nella rete elettrica esistente una grande sfida in termini di stabilità e sicurezza, specie per quanto attiene lo sbilancio esistente tra i tempi per la generazione e la richiesta di energia da parte dell'utenza. In tale contesto, lo sviluppo della tecnologia di stoccaggio dell'energia è considerato la migliore soluzione praticabile per affrontare tale squilibrio [1]. Tra tutte le tecnologie emergenti di accumulo di energia, spiccano le batterie elettrochimiche Na-S ad alta temperatura[2], le batterie redox a flusso [3] e le batterie alcaline metallo-aria [4]. Tuttavia, le prestazioni attuali di queste batterie possono soddisfare solo parzialmente i requisiti di accumulo. Ad esempio, la batteria Na-S può caricare/scaricare energia a velocità elevate con una buona efficienza ai cicli redox, ma la gestione termica del Na/S fuso e l'alto costo di fabbricazione ostacolano un'applicazione diffusa di questa tipologia di batteria. La batteria a flusso redox ha dimostrato un'eccellente efficienza del ciclo, ma soffre di crossover cationico, evoluzione di idrogeno, elevata autoscarica, bassa densità di energia e tossicità. In confronto, le batterie acquose alcaline Zn-aria e Fe-aria mostrano una maggiore densità energetica, costi inferiori e una migliore compatibilità ambientale. Tuttavia, la gestione della CO2 riguardava la carbonatazione degli elettroliti alcalini, l'allagamento degli elettrodi, la crescita dendritica dello Zn e l'evoluzione di idrogeno durante la carica, l'effetto di autoscarica e la formazione di strati passivanti durante la carica sono problemi che devono essere adeguatamente affrontata prima di poter essere impiegata commercialmente per la rete su larga scala e lo stoccaggio rinnovabile. Per consentire a queste batterie un pratico stoccaggio in rete, sono necessarie innovazioni significative nei materiali e nella progettazione ingegneristica. Una alternativa possibile per tentare di superare le barriere tecnologiche mostrate dai dispositivi sopra menzionati è lo sviluppo di batterie avanzate con una nuova chimica. Le batterie redox ad ossido solido metallo-aria possono essere considerate come una tecnologia emergente per l'accumulo di energia su larga scala grazie ai suoi vantaggi di avere alta densità di energia, elevata velocità nei processi carica-scarica, struttura interamente a stato solido, elevata sicurezza e scalabilità come gia accade per celle elettrochimiche per la produzione di potenza (gas-to-power) o per l'accumulo elettrochimico sottoforma di combustibile (power-to-gas). In continuità con quanto effettuato nel primo anno di attività, questo secondo anno ci ha dato modo di approfondire il funzionamento di una batteria Fe-aria interamente costituita da materiali ceramici con un carico di ferro elevato. Svolgendo dei cicli di funzionamento protratti per oltre 150 h, ci è stato possibile comprendere meglio le condizioni ottimali di funzionamento ed i processi di degrado in atto dopo svariati cicli di funzionamento.