Scoperto un materiale innovativo per migliorare il funzionamento delle batterie metallo-aria
Studio coordinato dall’Università di Trieste su una tipologia di batterie ricaricabili con grandi potenzialità
[28 Luglio 2022]
Lo studio “Single Metal Atom Catalysts and ORR: H‑Bonding, Solvation, and the Elusive Hydroperoxyl Intermediate”, pubblicato su ACS Catalysis da Francesco Armillotta, Davide Bidoggia , Stefania Baronio, Pietro Biasin, Antonio Annese e Maria Peressi (Dipartimento di fisica dell’università di Trieste), Mattia Scardamaglia e Suyun Zhu (MAX IV Laboratory di Lund), Benedetto Bozzini (Dipartimento energia del Politecnico di Milano), Silvio Modesti ed Erik Vesselli (università di Trieste e CNR-IOM) illustra una ricerca fondamentale su «Un materiale innovativo, essenziale al funzionamento delle batterie metallo-aria, una tipologia di batterie ricaricabili che potrebbe sostiture le batterie al litio, ma che al momento presenta limiti che ne frenano lo sviluppo».
Vesselli, professore in fisica sperimentale della materia al Dipartimento di fisica dell’università di Trieste, che ha coordinato lo studio con il contributo di Modesti e Peressi, spiega che «Il lavoro che abbiamo condotto – dichiara – testimonia come questo approccio rappresenti una strada molto promettente nel settore dell’energia green. Nel caso specifico, la tecnologia delle batterie metallo-aria potrebbe in futuro sostituire progressivamente quella legata agli ioni di litio, sia per applicazioni mobili che stanziali, con vantaggi in termini di taglia e capacità delle batterie, sicurezza, costi e compatibilità ambientale».
Generalmente, le batterie ricaricabili rappresentano una prospettiva promettente per accumulare l’energia da fonti rinnovabili, ma all’università di Trieste spiegano che «Le attuali tecnologie sono caratterizzate da limiti legati ai materiali, ai costi, alla capacità, alla vita media ed alla velocità di ricarica. Le batterie ricaricabili basate sugli ioni di litio, ad esempio, sono molto inquinanti e costose, non hanno lunga durata e hanno tempi di ricarica molto lunghi. Le batterie metallo aria, una delle alternative studiate a livello internazionale, possono portare a un’importante evoluzione, nonostante non siano una novità tecnologica recente. Una batteria ricaricabile metallo-aria consiste in due elettrodi, un anodo metallico ed un catodo poroso che letteralmente “respira” l’aria, “inspirando” ed “espirando” ossigeno nel ciclo di scarica e carica. I due elettrodi sono separati da un elettrolita – il mezzo attraverso cui scorrono gli ioni carichi – che può essere solido o liquido. Questa soluzione, basata su materiali grazie ai quali la batteria “respira” l’ossigeno a zero impatto, è già stata impiegata in passato e permette di raggiungere una densità di energia maggiore rispetto ad esempio alle batterie agli ioni di litio. Per renderla veramente efficiente, tuttavia, servono materiali molto particolari sugli elettrodi, detti bifunzionali, ovvero che devono essere in grado di catalizzare reazioni chimiche opposte in fase di carica e scarica, rispettivamente».
Il materiale innovativo oggetto dello rappresenta un ottimo candidato per gli elettrodi in questione: «Si tratta di un materiale bidimensionale biomimetico, sintetizzato ad hoc copiando le caratteristiche fondamentali di struttura geometrica, struttura elettronica e funzionalità di sistemi presenti in natura – spiegano ancora i ricercatori – Sfruttando una combinazione di tecniche sperimentali uniche, abbinate a simulazioni teoriche, i ricercatori sono riusciti ad osservare direttamente e a descrivere il “complesso chiave” della reazione di riduzione dell’ossigeno (Oxygen Reduction Reaction – ORR), svelando il ruolo dell’acqua in qualità di solvente che partecipa direttamente ed attivamente alla reazione chimica, governando il trasferimento di carica e di energia. Si tratta di uno studio fondamentale, eseguito in ambiente controllato e su materiali modello, ma che ha prodotto dei risultati che rappresentano un importante avanzamento nella comprensione dei meccanismi di strategica importanza per lo sviluppo tecnologico futuro di nuove famiglie di batterie ricaricabili. In particolare, i materiali metallorganici biomimetici risultano estremamente stabili da un punto di vista chimico e permettono potenzialmente l’embedding di una bifunzionalità (attività per la carica e scarica della batteria) in un unico materiale monofasico, anziché dover progettare materiali distinti per le due funzioni».