Materiali di nuova concezione per l’accumulo, a base di titanio e alluminio, disponibili in abbondanza sul territorio europeo.
La generazione e lo stoccaggio di energia pulita ed economica sono una delle sfide più significative che il nostro mondo sta affrontando. Lo sviluppo di dispositivi di accumulo adeguati, basati su tecnologie a basso costo e materiali abbondanti, risulta fondamentale per un migliore sfruttamento della crescente produzione di energia da fonti rinnovabili non programmabili e, in generale, per una migliore gestione della rete elettrica.
La batteria agli ioni di litio è il dispositivo d’accumulo elettrochimico più usato, comunemente impiegato nell’elettronica di consumo (pc e cellulari), nella mobilità elettrica e si propone anche come tecnologia di supporto alle reti elettriche. I principali elementi chimici impiegati nella realizzazione delle attuali batterie agli ioni di litio sono: ovviamente il litio che migra in forma ionica dal catodo (elettrodo positivo) all’anodo (elettrodo negativo) e viceversa, durante la carica e scarica della batteria, ed è presente in soluzione nell’elettrolita; il cobalto, utilizzato sotto forma di ossido come materiale catodico;il carbonio, sotto forma di grafite naturale che costituisce il materiale anodico.
Oltre il 60% del cobalto utilizzato a livello mondiale arriva dal Congo e il 40% viene impiegato per la produzione di batterie ricaricabili. La Cina è il più grande fornitore di grafite naturale: qui nel 2016 ne è stata prodotta il 66% di quella usata a livello mondiale. Quanto al litio, le riserve maggiori si trovano in Cile dove viene prodotto il 37% del totale usato a livello mondiale. Di recente, poi, l’estrazione si è estesa ad Argentina e Bolivia creando il famoso “triangolo del litio”.
Negli ultimi anni è stata registrata una vera e propria impennata nella domanda di queste materie prime, il cui prezzo è, conseguentemente, continuato a salire in modo vertiginoso: il valore del cobalto è aumentato nel 2017 di più del 190%, mentre si stima che la domanda globale di batterie agli ioni di litio dovrebbe crescere tra le sei e le sette volte entro il 2026, tant’è che il prezzo del litio è raddoppiato in un anno, da 7.400 dollari a tonnellata nel 2016 a 13.900 nel 2017.
Proprio per ovviare alla sempre maggior richiesta di questi materiali critici, la cui scarsa disponibilità influisce sugli alti costi finali del dispositivo, RSE si è concentrata su materiali con maggior abbondanza in natura e meno geo-localizzati, per condurre le proprie attività di ricerca e sviluppo su tecnologie di accumulo di piccola taglia di tipo elettrochimico, funzionali alla rete elettrica. Proprio per svincolarsi da possibili limitazioni associate alla ridotta disponibilità di alcuni elementi, i sistemi di accumulo elettrochimico a ioni alcalini (es. litio e sodio) sono la tecnologia che negli ultimi anni ha visto un grande sviluppo tecnologico che ha consentito di ottenere vite utili e capacità di carica/scarica sempre più crescenti.
ACCUMULO: LO STUDIO SUI MATERIALI INNOVATIVI
Le attività di ricerca e sviluppo in questo settore riguardano principalmente lo studio, la formulazione e la sintesi di materiali innovativi di elettrodi ed elettroliti, la progettazione e realizzazione di nuovi design di cella e i test elettrochimici e di diagnostica su celle e batterie.“Le prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica, come le batterie agli ioni di litio o di sodio – che possono offrire una potenziale soluzione per sistemi di storage a basso costo con prestazioni elevate e produzione sostenibile – dipendonoin gran parte dalle proprietà intrinseche dei materiali degli elettrodi. Qui in RSE negli ultimi anni è stato messo a punto un nuovo metodo di sintesi per preparare con successo una nuova famiglia di materiali, chiamati MXeni”,spiega Omar Perego, responsabile in RSE del progetto sui materiali e tecnologie per l’accumulo di energia per il sistema elettrico.“L’attività sui MXeni, riguarda lo sviluppo di elettrodi anodici per batterie a ioni sodio basate sui MXeni, materiali lamellari 2D con struttura simile al grafene, realizzati trattando chimicamente (esfoliazione) carburi lamellari di metalli, appartenenti alla famiglia delle MAX-phase”.
Le MAX-phase, aggiunge,“sono materiali con una struttura a strati estremamente versatili che RSE ha deciso di impiegare per la realizzazione di dispositivi di accumulo elettrochimico. Inoltre la scelta di sintetizzare MAX-phase a base di carburi di titanio e alluminio, chimicamente tra le più leggere disponibili, è stata dettata dalla consapevolezza che i materiali scelti sono disponibili in abbondanza sul territorio europeo”.
MXENI: PRESTAZIONI COMPETITIVE
Perego precisa che questa tipologia di accumulo a ioni sodio risulta “meno performante, ma rappresenta un’alternativa, in prospettiva più economica, alle batterie agIi ioni di litio e quindi più adatta ad applicazioni stazionarie, per fornire servizi di flessibilità al sistema elettrico”. In particolare, prosegue, il processo di produzione delle polveri di MXeni, attraverso la macinazione di granulometria adeguata e l’esfoliazione con opportune soluzioni di acido, “è stato studiato al fine di comprendere la dipendenza tra parametri sperimentali e prestazioni elettrochimiche finali. Nel nostro lavoro, abbiamo studiato tutti i passaggi principali per ottenere polveri di MXeni con prestazioni elevate come anodi di batterie a ioni di sodio e dimostrare la potenziale scalabilità industriale. Al momento stiamo lavorando su batterie di piccole dimensioni “a bottone”, per intendersi sono le batterie di orologi e piccoli elettrodomestici (es. bilance), dove stendiamo polveri di MXeni sull’elettrodo negativo e impieghiamo sodio metallico come contro-elettrodo positivo,materiale di riferimento utile per accertare la capacità dei MXeni di intercalare ioni sodio. Le prove svolte durante il triennio di ricerca 2015-2017 hanno dimostrato buone capacità di carica e scarica di questo materiale di laboratorio, in grado di avvicinarsi alle prestazioni delle batterie commerciali agli ioni di litio. Si è anche appurata un’ottima durata, testimoniata da prove di carica e scarica ripetute per oltre 300 cicli, senza degrado del materiale”.
Ovviamente, precisa,“la strada da seguire è lunga: prevede lo scale-up del processo di produzione, verso batterie di più grandi dimensioni, come quelle dei cellulari o delle automobili, composte da celle elettrochimiche ‘a sacchetto’ messe tra loro in parallelo. Prevede anche l’accoppiamento dell’elettrodo negativo a base di MXene (anodo) con un contro-elettrodo positivo che non sia sodio metallico, ma un materiale catodico adatto e compatibile. La scelta di RSE è sempre quella di studiare, anche per il catodo, materiali abbondanti in natura, facilmente approvvigionabili e non pericolosi, per puntare su un elevata sostenibilità e un costo ridotto del prodotto finale”.
Nel corso del 2018 è proseguita la sperimentazione per lo sviluppo di materiali anodici e catodici per accumulatori elettrochimici a ioni sodio. Per la produzione dei MXeni si è proceduto ad ottimizzare tutte le fasi del processo produttivo. Questi studi, portati avanti nell’ambito dei progetti del programma Ricerca di Sistema elettrico, affidati a RSE dal ministero per lo Sviluppo economico, trovano un ulteriore stimolo nel piano triennale 2019-2020 dove, nell’ambito della linea di ricerca su materiali e tecnologie per l’accumulo di energia per il sistema elettrico, si punta a finanziare studi riguardanti sistemi di accumulo funzionali alla rete di trasmissione nazionale e/o alle reti di distribuzione e attività relative a materiali di frontiera per componenti attivi di sistemi di accumulo elettrico ed elettrochimico. Le attività sono mirate ad aumentare la densità di energia, migliorare la sicurezza, ridurre il costo e allungare il ciclo e la durata di vita, nonché migliorare la sostenibilità ambientale delle batterie.