Scoperta migliora l’efficienza delle batterie al vanadio del 70%, ricadute per gli impianti solari ed eolici

Batteria al vanadio. Crediti: PNNL (Pacific Northwest National Laboratory)

Le batterie redox al vanadio sono considerate una vera e propria promessa per lo sviluppo delle energie alternative come il solare e l’eolico, ma il suo uso è stato limitato dall’impossibilità di lavorare bene in un ampio intervallo di temperature e dal costo elevato. Ma una nuova ricerca indica che  una modifica alla soluzione elettrolitica della batteria ne migliora notevolmente le prestazioni. Tanto che la “batteria al vanadio 2.0” potrebbe migliorare l’affidabilità della rete elettrica e contribuire a collegare turbine e pannelli solari alla rete elettrica in modo molto efficiente.

In un documento pubblicato dalla rivista Advanced Energy Materials, i ricercatori del Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory hanno trovato che l’aggiunta di acido cloridrico all’acido solforico, tipicamente usato nelle batterie al vanadio,  aumenta lo stoccaggio delle batterie “aumentando la capacità energetica del 70 per cento e ampliando la gamma di temperatura in cui operano”.

Le batterie redox al vanadio sono nate da poco (il primo prototipo risale al 1986) e possono raggiungere capacità elevatissime, rendendole adatte a grossi impianti di immagazzinamento di energia, dove possono servire a mediare la capacità produttiva di sorgenti energetiche molto variabili come sistemi eolici o solari, o per far fronte a improvvise richieste di corrente. Sono caratterizzate da un tempo di risposta estremamente veloce, e quindi sono adattissime a gruppi di continuità, dove possono sostituire batterie al piombo e generatori diesel.

“I nostri piccoli aggiustamenti migliorano notevolmente la batteria redox al vanadio”, ha detto l’autore e chimico del PNNL Liyu Li. “E con appena un po’ di lavoro in più, la batteria potrebbe potenzialmente aumentare l’uso di energia eolica, solare e da altre fonti di energia rinnovabile attraverso la rete elettrica”.

A differenza dell’energia prodotta da fonti tradizionali, che è generata in maniera affidabile e in cui il flusso costante di energia elettrica dipende dalla quantità di carbone bruciata o di acqua che viene inviata attraverso le turbine di una diga, la produzione di energia rinnovabile dipende da incontrollabili fenomeni naturali come sole e vento. Lo stoccaggio dell’elettricità può contribuire a smussare l’ intermittenza delle energie rinnovabili, migliorando nel contempo l’affidabilità della rete elettrica che trasmette. Le batterie di vanadio possono trattenere l’energia affinché la gente possa accendere le luci o la propria lavastoviglie durante la notte con l’energia solare. Altri vantaggi delle batterie al vanadio sono l’alta efficienza e la capacità di generare rapidamente potenza quando necessario, nonché la possibilità di rimanere  inattive per lunghi periodi di tempo senza perdere la capacità di stoccaggio.

Eolico

Una batteria di vanadio è un tipo di batteria di flusso, il che significa che genera energia tramite pompaggio liquido dal serbatoio esterno al centro della batteria. I serbatoi contengono elettroliti, che sono liquidi che conducono l’elettricità.

La capacità di una batteria di generare elettricità è limitata dal numero di ioni che si possono imballare nell’elettrolita. Le batterie di vanadio tradizionalmente usano acido solforico puro per i loro elettroliti. Ma l’acido solforico può assorbire solo tanti ioni vanadio.

Un altro svantaggio è che le batterie a base di acido solforico e vanadio funzionare solo tra circa i  10 a 40 gradi centigradi. Sotto tale intervallo di temperatura, l’acido solforico  cristallizza. Il problema più grande, tuttavia, è il surriscaldamento della batteria, che rende inutilizzabile la batteria. Per regolare la temperatura, sono utilizzati impianti condizionatori d’aria o di circolazione di acqua di raffreddamento, ma questo causa fino al 20 per cento di perdita di energia e aumenta in modo significativo i costi di funzionamento della batteria, hanno notato i ricercatori.

Siccome volevano migliorare le prestazioni della batteria, Li e i suoi colleghi hanno iniziato la ricerca di un nuovo elettrolita. Hanno cercato un elettrolita  nell’ acido cloridrico puro, ma combinandosi con gli ioni del vanadio ha causato un effetto indesiderato. Poi hanno sperimentato varie miscele di entrambi gli acidi cloridrico e solforico. Gli scienziati del PNNL hanno trovato l’equilibrio ideale quando hanno mescolato 6 parti di acido cloridrico con 2,5 parti di acido solforico.

I test hanno dimostrato che la nuova miscela di elettroliti poteva contenere il 70% in più di ioni di vanadio, aumentando la capacità di immagazzinamento di energia elettrica nella batteria del 70%. La scoperta significa che potranno essere utilizzati volumi più piccoli per conservare la stessa quantità di energia di quelli attuali riempiti con il vecchio elettrolito.

E la nuova miscela ha permesso alla batteria di lavorare a temperature più calde e più fredde, tra i -5 a 50 gradi centigradi, riducendo notevolmente la necessità di costosi sistemi di raffreddamento.

I risultati sono promettenti, ma sono necessarie ulteriori ricerche, secondo gli autori. La batteria e in generale la struttura fisica potrebbero essere migliorate per aumentare la produzione di energia e diminuire i costi.