Scienziati hanno creato una batteria per la rete elettrica che accumula e conserva l’energia per mesi

Lo sviluppo della “batteria di congelamento-scongelamento”, che congela la sua energia per un uso successivo, è un passo verso le batterie che possono essere utilizzate per lo stoccaggio stagionale: risparmiando energia in una stagione, come la primavera, e spendendola in un’altra, come l’autunno.
Il prototipo è piccolo, delle dimensioni di un disco da hockey, ma la potenziale utilità della scienza alla base del dispositivo è vasta, predicendo un momento in cui l’energia da fonti intermittenti, come il sole e il vento, può essere immagazzinata per molto tempo.
Il lavoro degli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell’Energia è stato pubblicato il 23 marzo 2022 nella rivista Cell Reports Physical Science.
Imre Gyuk, direttore dell’Energy Storage presso l’Office of Electricity, che ha finanziato il lavoro, ha affermato:
«Le tecnologie di accumulo di energia a lunga durata, per aumentare la resilienza della rete, sono importanti quando si incorpora una grande quantità di energia rinnovabile, questa ricerca segna un passo importante verso una soluzione di accumulo stagionale della batteria che superi i limiti di autoscarica delle odierne tecnologie per le batterie».

Sfruttare e confezionare l’energia della natura
Le fonti rinnovabili fluiscono e rifluiscono con i cicli della natura, ciò rende difficile includerli in un flusso di elettricità affidabile e costante, ad esempio, in primavera nel Pacifico nord-occidentale i fiumi pieni di dighe idroelettriche sono al picco di deflusso proprio mentre i venti soffiano violentemente lungo la Columbia Gorge. Tutta quella potenza deve essere imbrigliata immediatamente o conservata per pochi giorni al massimo.
Gli operatori di rete vorrebbero sfruttare quell’energia primaverile, immagazzinarla in grandi batterie, quindi rilasciarla verso la fine dell’anno, quando i venti della regione sono lenti, i fiumi sono bassi e la domanda di elettricità raggiunge i picchi.
Le batterie migliorerebbero anche la capacità delle utility di resistere a un’interruzione di corrente durante forti tempeste, rendendo disponibili grandi quantità di energia da immettere nella rete dopo un uragano, un incendio o un’altra calamità.
Minyuan Miller Li autore principale della ricerca, ha detto:
«È un po’ come coltivare cibo nel tuo giardino in primavera, mettere l’extra in un contenitore nel congelatore e poi scongelarlo per cena in inverno».
La batteria viene prima caricata riscaldandola fino a 180°C consentendo agli ioni di fluire attraverso l’elettrolita liquido per creare energia chimica, quindi, la batteria viene raffreddata a temperatura ambiente, bloccando essenzialmente l’energia della batteria. L’elettrolita diventa solido e gli ioni che trasportano l’energia rimangono quasi fermi, poi quando l’energia è necessaria, la batteria viene riscaldata e l’energia scorre.
Il fenomeno del gelo-disgelo è possibile perché l’elettrolita della batteria è sale fuso, un cugino molecolare del normale sale da cucina. Il materiale è liquido a temperature più elevate ma solido a temperatura ambiente.
Il concetto di congelamento e disgelo evita un problema familiare a chiunque abbia lasciato la propria auto inutilizzata per troppo tempo: una batteria che si scarica automaticamente quando è inattiva. La rapida velocità di scarica come quella delle batterie nella maggior parte delle auto o dei laptop, ostacolerebbe una batteria a rete progettata per immagazzinare energia per mesi, in particolare, la batteria di congelamento-scongelamento ha mantenuto il 92% della sua capacità per 12 settimane. L’energia in altre parole, non degrada molto, è conservata proprio come il cibo in un congelatore.

Vantaggio di comuni materiali
Il team di ricercatori ha evitato materiali rari, costosi e altamente reattivi. La batteria alluminio-nichel a sale fuso invece è piena zeppa di materiali comuni abbondanti sulla Terra. L’anodo e il catodo sono rispettivamente piastre solide di alluminio e nichel, sono immersi in un mare di elettrolito di sale fuso che è solido a temperatura ambiente, ma scorre come un liquido quando viene riscaldato. Il team per aumentare la capacità energetica della batteria, all’elettrolito ha aggiunto zolfo, un altro elemento comune a basso costo.
I ricercatori hanno detto che uno dei maggiori vantaggi della batteria è la composizione di un componente, chiamato separatore, posto tra l’anodo e il catodo. La maggior parte delle batterie a sale fuso per temperature più elevate richiede un separatore in ceramica, che può essere più costoso da realizzare e suscettibile di rottura durante il ciclo di congelamento-scongelamento. La nuova batteria utilizza una semplice fibra di vetro, possibile grazie alla chimica stabile della batteria. Ciò riduce i costi e rende la batteria più robusta durante i cicli di gelo-scongelamento.
Guosheng Li, ha guidato la ricerca, ha affermato:
«Ridurre i costi della batteria è fondamentale, è questo il motivo per cui abbiamo scelto materiali comuni e meno costosi con cui lavorare e perché ci siamo concentrati sulla rimozione del separatore ceramico».
L’energia della batteria viene immagazzinata a un costo dei materiali di circa 23 dollari per kilowattora, misurato prima di un recente aumento del costo del nichel. Il team di ricercatori sta esplorando l’uso del ferro, che è meno costoso, nella speranza di ridurre il costo dei materiali a circa 6 dollari per kilowattora, circa 15 volte inferiore al costo dei materiali delle odierne batterie agli ioni di litio. La densità di energia teorica della batteria è di 260 wattora per chilogrammo, superiore alle attuali batterie al piombo e a flusso.
I ricercatori sottolineano che le batterie progettate per lo stoccaggio stagionale si caricherebbero e scaricherebbero probabilmente solo una o due volte l’anno, a differenza delle batterie progettate per alimentare auto elettrica, laptop o altri dispositivi di consumo, non devono durare centinaia o migliaia di cicli.
Vince Sprenkle, consulente strategico senior del Pacific Northwest National Laboratory, coautore della ricerca, ha detto:
«Puoi iniziare a immaginare qualcosa come una grande batteria su un rimorchio da 12 metri parcheggiato in un parco eolico. La batteria viene caricata in primavera e poi il camion viene condotto lungo la strada fino a una sottostazione dove la batteria, se necessario, è disponibile durante la calura estiva».

Batteria PNNL accumulo energia