Le celle a combustibile alimentate con il metallo potrebbero fornire una nuova fonte di energia elettrica molto più densa delle batterie agli ioni di litio.
Un nuovo tipo di cella a combustibile che funziona con sodio metallico potrebbe un giorno contribuire a ripulire i settori in cui è difficile sostituire i combustibili fossili, come la ferrovia, l’aviazione regionale e il trasporto marittimo a breve distanza. Il dispositivo si discosta da tecnologie come le batterie al litio ed è concettualmente più simile ai sistemi di celle a combustibile a idrogeno.
La cella a combustibile sodio-aria è stata progettata da un team guidato da Yet-Ming Chiang, professore di scienza dei materiali e ingegneria al MIT. Ha una densità energetica superiore a quella delle batterie agli ioni di litio e non richiede le temperature super-fredde o le alte pressioni dell’idrogeno, rendendola potenzialmente più pratica per i trasporti. “Sono interessato al sodio metallico come vettore energetico del futuro”, afferma Chiang.
Il progetto del dispositivo, pubblicato oggi su Joule, è legato alla tecnologia alla base di una delle aziende di Chiang, la Form Energy, che sta costruendo batterie metallo-aria per grandi impianti di stoccaggio dell’energia, come quelli che potrebbero aiutare a immagazzinare l’energia eolica e solare nella rete. Le batterie di Form si basano su acqua, metallo e aria.
Una sfida tecnica per le batterie metallo-aria è stata storicamente la reversibilità. Le reazioni chimiche di una batteria devono essere facilmente invertibili, in modo che in una direzione generino elettricità, scaricando la batteria, e nell’altra l’elettricità entri nella cella e avvenga la reazione inversa, caricandola.
Quando le reazioni di una batteria producono un prodotto molto stabile, può essere difficile ricaricare la batteria senza perdere capacità. Per ovviare a questo problema, il team di Form ha discusso se le batterie potessero essere rifornibili piuttosto che ricaricabili, spiega Chiang. L’idea era che, invece di invertire le reazioni, si potesse semplicemente far funzionare il sistema in una direzione, aggiungere altro materiale di partenza e ripetere.
Alla fine, Form ha scelto un concetto di batteria più tradizionale, ma l’idea è rimasta in mente a Chiang, che ha deciso di esplorarla con altri metalli ed è approdato all’idea di una cella a combustibile a base di sodio.
In questo formato di celle a combustibile, l’apparecchio riceve sostanze chimiche ed esegue reazioni che generano elettricità, dopodiché i prodotti vengono rimossi. Poi viene immesso nuovo carburante per far funzionare di nuovo il tutto, senza bisogno di ricarica elettrica. (Questo concetto potrebbe essere riconosciuto dai veicoli a celle a combustibile a idrogeno, come la Toyota Mirai).
Chiang e i suoi colleghi si sono proposti di costruire una cella a combustibile che funziona con sodio liquido, che potrebbe avere una densità energetica molto più elevata rispetto alle tecnologie commerciali esistenti, in modo da essere abbastanza piccola e leggera da poter essere utilizzata per cose come gli aerei regionali o le spedizioni a breve distanza.
Il sodio metallico potrebbe essere utilizzato per alimentare gli aerei regionali o le spedizioni a breve distanza.
GRETCHEN ERTL/MITTR
Il team di ricerca ha costruito piccole celle di prova per sperimentare il concetto e le ha fatte funzionare per dimostrare che si poteva usare il sistema basato sul sodio-metallico per generare elettricità. Poiché il sodio diventa liquido a circa 98 °C (208 °F), le celle hanno funzionato a temperature moderate, tra 110 °C e 130 °C (o 230 °F e 266 °F), il che potrebbe essere pratico per l’uso su aerei o navi, dice Chiang.
Dal lavoro svolto con questi dispositivi sperimentali, i ricercatori hanno stimato una densità energetica di circa 1.200 wattora per chilogrammo (Wh/kg). Si tratta di un valore molto più alto di quello che possono raggiungere oggi le batterie agli ioni di litio in commercio (circa 300 Wh/kg). Le celle a combustibile a idrogeno possono raggiungere un’elevata densità energetica, ma ciò richiede che l’idrogeno sia immagazzinato ad alte pressioni e spesso a temperature bassissime.
“È un concetto di cella interessante”, afferma Jürgen Janek, professore presso l’Istituto di Chimica Fisica dell’Università di Giessen in Germania, che non ha partecipato alla ricerca. In passato sono state condotte ricerche sulle batterie sodio-aria, afferma Janek, ma l’utilizzo di questo tipo di chimica in una cella a combustibile è una novità.
“Uno degli aspetti critici di questo tipo di celle è la sicurezza”, spiega Janek. Il sodio metallico reagisce fortemente con l’acqua. (Forse avete visto dei video in cui blocchi di sodio metallico vengono gettati in un lago, con effetti drammatici). Alla domanda su questo problema, Chiang risponde che il progetto della cella assicura che l’acqua prodotta durante le reazioni venga continuamente rimossa, in modo che non ce ne sia abbastanza per alimentare reazioni dannose. Anche l’elettrolita solido, un materiale ceramico, aiuta a prevenire le reazioni tra acqua e sodio, aggiunge Chiang.
Un’altra domanda è cosa succede a uno dei prodotti della cellula, l’idrossido di sodio. Comunemente noto come liscivia, è un prodotto chimico industriale, utilizzato in prodotti come la soluzione liquida per la pulizia degli scarichi. Uno dei suggerimenti dei ricercatori è quello di diluire il prodotto e rilasciarlo nell’atmosfera o nell’oceano, dove reagirebbe con l’anidride carbonica, catturandola in forma stabile e impedendole di contribuire al riscaldamento globale. Esistono gruppi che stanno conducendo esperimenti sul campo utilizzando proprio questa sostanza chimica per la rimozione del carbonio negli oceani, anche se alcuni sono stati accolti con polemiche. I ricercatori hanno anche illustrato il potenziale di un sistema chiuso, in cui la sostanza chimica potrebbe essere raccolta e venduta come sottoprodotto.
Ci sono fattori economici a favore dei sistemi basati sul sodio, anche se ci vorrebbe un po’ di lavoro per costruire le catene di approvvigionamento necessarie. Oggi il sodio metallico non viene prodotto in grandi quantità. Tuttavia, può essere ricavato dal cloruro di sodio (sale da cucina), che è incredibilmente economico. In passato, inoltre, era prodotto in abbondanza, poiché veniva utilizzato nel processo di produzione della benzina al piombo. Esiste quindi un precedente per una catena di approvvigionamento più ampia ed è possibile che l’aumento della produzione di sodio metallico lo renda abbastanza economico da poter essere utilizzato nei sistemi di celle a combustibile, afferma Chiang.
Chiang ha fondato una società chiamata Propel Aero per commercializzare la ricerca. Il progetto è stato finanziato dal programma Propel-1K di ARPA-E, che mira a sviluppare nuove forme di accumulo di energia ad alta potenza per aerei, treni e navi.
Il prossimo passo sarà continuare la ricerca per migliorare le prestazioni e la densità energetica delle celle e iniziare a progettare sistemi su piccola scala. Una potenziale applicazione iniziale sono i droni. “Vorremmo far volare qualcosa entro il prossimo anno”, dice Chiang.
“Se la gente non lo trova folle, sarò piuttosto deluso”, dice Chiang. “Perché se un’idea non sembra folle all’inizio, probabilmente non è così rivoluzionaria come si pensa. Fortunatamente, la maggior parte delle persone pensa che io sia pazzo in questo caso”.
Foto di copertina: Yet-Ming Chiang, Karen Sugano, Sunil Mair e Saahir Ganti-Agrawal. Gretchen. Ertl/MITTR
