Una nuova frontiera nella ricerca sulle batterie potrebbe aprire la strada a sistemi di accumulo più sicuri, sostenibili e performanti. A svilupparla è un gruppo di ricerca del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica – DCMIC “Giulio Natta” del Politecnico di Milano, che ha progettato e realizzato una membrana polimerica in gel quasi-solido, non infiammabile, capace di favorire il trasporto degli ioni fluoruro all’interno delle batterie già a temperatura ambiente. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica internazionale Energy Storage Materials e rappresentano un passo significativo verso lo sviluppo di batterie alternative a quelle tradizionali agli ioni di litio.
La ricerca è il risultato di una collaborazione interdisciplinare tra docenti e laboratori del DCMIC, che hanno messo a sistema competenze di chimica, ingegneria dei materiali, elettrochimica e dinamica molecolare. Il progetto è stato coordinato da Maurizio Sansotera, responsabile del laboratorio Fluoritech, con il contributo di Luca Magagnin, responsabile del SEE Lab – Surface Engineering and Electrochemistry Laboratory, che ha seguito la caratterizzazione elettrochimica, e di Giuseppina Raffaini, il cui lavoro sulla dinamica molecolare ha permesso di approfondire i meccanismi alla base del trasporto degli ioni fluoruro nella membrana polimerica.
Tra gli elementi di maggiore interesse dello studio c’è la definizione, per la prima volta, del concetto di Fluoride Exchange Membrane (FEM), una membrana a scambio di ioni fluoruro che si ispira alle più consolidate tecnologie a scambio protonico (PEM) e anionico (AEM), già impiegate in numerose applicazioni.
Una tecnologia più sostenibile e sicura
Le batterie agli ioni fluoruro presentano potenzialità importanti sul fronte della sostenibilità ambientale. Il fluoruro potrebbe infatti consentire di ridurre la dipendenza dal litio, attraverso l’impiego di un elemento più abbondante e distribuito in maniera più uniforme in natura. A questo vantaggio si aggiunge una caratteristica particolarmente rilevante per la sicurezza: la non-infiammabilità della membrana polimerica.
Un aspetto che potrebbe favorire la diffusione dei sistemi di accumulo energetico, indispensabili per valorizzare l’energia prodotta da fonti rinnovabili. La produzione di energia solare ed eolica, infatti, non coincide sempre con i momenti di maggiore domanda e richiede infrastrutture capaci di immagazzinare l’elettricità per renderla disponibile quando necessario.
“Le energie rinnovabili hanno picchi di produzione le cui fasce orarie non corrispondono a quelli di consumo; per risolvere questo problema, diversi Paesi europei stanno realizzando sistemi di accumulo per l’energia prodotta, ma la diffusione di questi sistemi è spesso condizionata dai timori legati al rischio di incendio delle batterie – spiega Maurizio Sansotera, docente di Fondamenti Chimici – La tecnologia che stiamo sviluppando si basa sull’impiego di una membrana polimerica non infiammabile che riduce il rischio di incendio e offre, al contempo, il vantaggio di utilizzare un elemento abbondante ed equamente distribuito in natura“.
Densità energetica potenzialmente doppia
Le prospettive non riguardano soltanto la sicurezza e la sostenibilità. Le batterie agli ioni fluoruro potrebbero infatti raggiungere densità energetiche teoriche sensibilmente superiori rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, con ricadute significative in termini di peso, autonomia e durata. “Si parla di circa 600 Wattora per chilo, mentre le batterie agli ioni di litio standard viaggiano sui 150-250 circa. Nella pratica, significherebbe circa una durata doppia: in un’auto elettrica, si potrebbe percorrere il doppio dei chilometri – afferma Luca Magagnin, docente di Chimica Fisica Applicata – e gli utilizzi sono svariati, dai sistemi di accumulo, appunto, a droni, satelliti, aerei“. Se queste prestazioni teoriche saranno confermate nelle successive fasi di sviluppo tecnologico, la nuova generazione di batterie potrebbe trovare applicazione in diversi settori: dalla mobilità elettrica all’aerospazio, fino ai sistemi di accumulo destinati alle reti energetiche.
Il vantaggio decisivo: funzionamento a temperatura ambiente
Un ulteriore risultato della ricerca riguarda la possibilità di trasportare gli ioni fluoruro a temperatura ambiente. Un traguardo importante, considerando che le precedenti generazioni di batterie basate su questa tecnologia richiedevano temperature operative elevate per garantire una sufficiente conducibilità ionica. La membrana quasi-solida sviluppata al Politecnico di Milano consente invece di superare questo limite, evitando il consumo energetico necessario per riscaldare preventivamente la batteria.
“La membrana quasi solida da noi ideata consente il trasporto degli ioni fluoruro già a temperatura ambiente. Si riesce così ad evitare lo spreco di energia necessario per il preriscaldamento della batteria – sottolinea Giuseppina Raffaini, docente di Chimica e Materiali – Nelle precedenti generazioni di batterie agli ioni fluoruro era necessario, invece, raggiungere temperature operative intorno ai 100-150 gradi per migliorarne la conducibilità ionica, consumando parte dell’energia immagazzinata dissipandola in calore“. La possibilità di operare senza riscaldamento rappresenta dunque un ulteriore elemento di vantaggio, sia sul piano dell’efficienza energetica sia su quello della praticità di utilizzo.
La ricerca del Politecnico di Milano segna così un passo avanti nello sviluppo di tecnologie di accumulo alternative al litio. La membrana gel agli ioni fluoruro mette insieme tre caratteristiche strategiche – maggiore sicurezza, potenziale densità energetica più elevata e funzionamento a temperatura ambiente – delineando nuove prospettive per le batterie del futuro. La strada verso applicazioni industriali richiederà ulteriori sviluppi e verifiche, ma i risultati ottenuti costituiscono una base scientifica promettente per una nuova generazione di dispositivi energetici.