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Una delle più grandi sfide dei nostri tempi è stoccare l’energia di sole, vento ed altri tipi di rinnovabili, in quanto si tratta di vettori energetici intermittenti a seconda del meteo.
Ecco dove entrano in gioco batterie dalle grandi capacità. Ma stoccare l’energia messa a disposizione da sole e vento richiede un tipo speciale di dispositivo.
La batterie di flusso
Le batterie più avanzate di cui disponiamo si chiamano batterie di flusso, e sono costituite da ioni di vanadio dissolti in acido in due serbatoi separati, uno con ioni caricati negativamente, uno con ioni caricati positivamente.
Le due soluzioni sono pompate in continuazione dal serbatoio in una cella a combustibile, che funziona come un generatore per la batteria.
Queste sostanze sono sempre separate da una speciale membrana che assicura che scambino ioni di idrogeno caricati positivamente senza mischiarsi. Questo scambio selettivo di ioni è ciò su cui si basa la possibilità di caricare e scaricare d’energia la batteria.
Le batterie di flusso sono dispositivi ideali nei quali stoccare energia solare ed eolica in quanto possono essere costruiti per aumentare la quantità di energia stoccata senza comprometterne la resa in termini di quantità di energia che può essere liberata.
Più grandi sono i serbatoi, più energia la batteria può stoccare da risorse non inquinanti e praticamente inesauribili.
Tuttavia costruirle richiede molti componenti delicati, in particolare la membrana che separa le due sostanze, nel consumarsi, può provocare il passaggio di ioni di vanadio dalla soluzione al mix. Questo crossover riduce la stabilità della batteria e la sua capacità.
Il Nafion come componente chiave
Ecco quindi che entra in gioco il protagonista del nostro articolo: il Nafion.
Il Nafion trova largo utilizzo nella costruzione di questa membrana chiamata PEM (Proton Exchange Membrane oppure Polymeric exchange membrane).
Tale membrana può essere utilizzata in una cella elettrolitica per produrre ossigeno e idrogeno a partire dall’acqua assorbendo energia o in una cella a combustibile per produrre energia elettrica dall’ossidazione dell’idrogeno. Questa membrana è composta da:
- Substrato: è un elettrodo avente una struttura leggera e porosa, solitamente per questa parte si usa il carbonio.
- Strato diffusivo: anch’esso realizzato in carbonio, permette la diffusione dei reagenti verso la zona attiva.
- Strato attivo: costituito come lo strato diffusivo, ma con la presenza di un catalizzatore, solitamente il platino, il quale favorisce la reazione.
- Nafion: la membrana semipermeabile è situata al centro della PEM e permette la separazione dei reagenti ed il solo passaggio degli ioni positivi, non lasciando passare gli elettroni.
Il prezzo medio per una membrana di Nafion commercialmente disponibile è però di circa 1300 dollari per metro quadro.
Dato l’alto costo molti team di ricercatori sono al lavoro per trovare degni sostituti del Nafion.
Il Nafion può essere sostituito?
In un recente studio, la professoressa in ingegneria meccanica ed industriale all’Università di Northeastern Hongli (Julie) Zhu, ha dimostrato come un nuovo tipo di membrana realizzata con nanocristalli di cellulosa abbia un’efficienza superiore se comparata ad altre membrane comunemente usate sul mercato.
Il team ha testato diverse membrane fatte di nanocristalli di cellulosa in grado di rendere più economiche le batterie di flusso.
“Il costo della nostra membrana è di 147,68 dollari al metro quadro” ha dichiarato Zhu, aggiungendo che i suoi calcoli non includono i costi associati al marketing.
Il loro test ha inoltre dimostrato che questo tipo di membrane, realizzate con il supporto della Rogers Corporation ed il suo Innovation Center presso il Northeastern’s Kostas Research Institute, può offrire cicli di vita delle batterie sostanzialmente più lunghi rispetto ad altre membrane.
La membrana “derivata dalla Natura” di Zhu è particolarmente efficiente grazie alla propria struttura cellulare contenente migliaia di gruppi ossidrile, ovvero composti di idrogeno ed ossigeno che facilitano il trasporto dell’acqua nelle piante e negli alberi.
