KIER innova la batteria Viologen Redox Flow per sostituire il vanadio

È stata sviluppata una tecnologia per sostituire il materiale attivo nelle batterie a flusso redox di grande capacità con un materiale più costoso.

^{*Batteria a flusso Redox: termine combinato di riduzione, ossidazione e flusso. Si tratta di una batteria che immagazzina energia elettrica come energia chimica attraverso reazioni di ossidazione e riduzione dei materiali attivi nell’elettrolita sulla superficie dell’elettrodo e la converte nuovamente in energia elettrica quando necessario. È in grado di immagazzinare su larga scala, può essere utilizzato a lungo termine attraverso la sostituzione periodica dell’elettrolita e il suo vantaggio principale è l’assenza di rischio di incendio.}

Il gruppo di ricerca del Dr. Sunghae Hwang del Dipartimento di ricerca sull’immagazzinamento dell’energia presso Istituto coreano di ricerca energetica I ricercatori sono riusciti a migliorare le prestazioni e la durata del ciclo delle batterie a flusso redox, un importante dispositivo di stoccaggio dell’energia di grande capacità, introducendo gruppi funzionali* che sostituiscono i materiali attivi e migliorano la solubilità e la stabilità.

^{*Gruppo funzionale: gruppo di atomi all’interno di un composto organico che determina le proprietà del composto e svolge un ruolo nel determinarne le proprietà.}

Per espandere l’uso delle energie rinnovabili come l’energia solare ed eolica, è necessario un sistema di accumulo dell’energia a lungo termine in grado di immagazzinare l’elettricità generata in condizioni meteorologiche favorevoli per più di 8 ore e riutilizzarla quando necessario. Tra queste batterie ci sono le batterie a flusso ossidativo, che presentano un rischio di incendio inferiore e una durata del ciclo più lunga di oltre 20 anni rispetto alle batterie agli ioni di litio comunemente utilizzate, che vengono attivamente ricercate a livello globale. La Repubblica di Corea si sta inoltre concentrando sullo sviluppo* di tecnologie a basso costo e altamente efficienti per un’adozione diffusa entro il 2030.

^{*Strategia di sviluppo del settore dello stoccaggio energetico (ottobre 2023), Ministero del commercio, dell’industria e dell’energia}

Sebbene il vanadio sia attualmente commercializzato come materiale attivo nelle batterie a flusso redox, le sue riserve limitate hanno stimolato la recente ricerca di alternative. I composti organici come i viologeni, costituiti da elementi naturali come carbonio e ossigeno, sono particolarmente degni di nota per la loro convenienza e il potenziale di sostituire il vanadio. Tuttavia, i viologeni presentano lo svantaggio di una bassa solubilità, che riduce la densità energetica complessiva, e di instabilità in caso di carica e scarica ripetute, rendendo necessario lo sviluppo di tecnologie per superare questi problemi.

Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno introdotto gruppi funzionali nei fenogeni. Questi gruppi funzionali si inseriscono nei filogeni come blocchi di aggregazione, migliorandone la solubilità e la stabilità.

Per aumentare la solubilità dei viologeni, i ricercatori hanno introdotto gruppi funzionali solfonato ed estere, che hanno proprietà idrofile. Questi due gruppi funzionali generano forze di attrazione intermolecolari attraverso le interazioni con le molecole d’acqua (elettroliti) sulla superficie dei viologeni, che facilitano la diffusione dei viologeni nell’acqua.

I violini sono composti da due strati molecolari.Sono composti da due strati molecolari. Durante la ricarica, questi strati si combinano ripetutamente, trasformandosi in una struttura che non può immagazzinare energia. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno introdotto gruppi funzionali alfa-metilici che fungono da ostacoli. Questi gruppi funzionali interrompono la struttura degli strati e generano repulsione intermolecolare, sopprimendo le reazioni collaterali e migliorando così l’efficienza e la stabilità dell’accumulo di energia.

Applicando il materiale attivo sviluppato dai ricercatori alle batterie a flusso redox, è stato confermato che la densità energetica era più che doppia rispetto alle batterie a flusso redox in vanadio. Inoltre, dopo 200 cicli di carica e scarica, le batterie hanno mostrato un’efficienza Coulombiana del 99,4% (capacità di scarica rispetto alla capacità di carica) e un mantenimento della capacità del 92,4%, indicando prestazioni e stabilità migliorate.

“In risposta al cambiamento climatico e all’espansione dell’uso delle energie rinnovabili, è necessario facilitare lo stoccaggio dell’energia sviluppando batterie a flusso redox che siano competitive in termini di prezzo e di lungo ciclo di vita”, ha affermato il dottor Sunghae Hwang, primo autore dell’articolo contenente i risultati della ricerca. “Questa ricerca consente la progettazione di materiali efficienti che garantiscono convenienza e longevità, contribuendo alla commercializzazione anticipata delle batterie a flusso redox”, ha aggiunto.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista di scienza dei materiali ACS Applied Materials and Interfaces (IF 9.5) e lo studio è stato condotto con il supporto di KIER.