Ricerca di Sistema Elettrico. Studi di base sulla fattibilità di batterie a flusso a elevata capacità specifica basate sulla chimica delle batterie al litio. RdS PAR2013 187

Nel quadro delle ricerche sulle batterie a flusso hanno recentemente acquistato rilevante importanza nuovi approcci volti a superare le limitazioni delle batterie redox a flusso classiche, tipo Vanadio/Vanadio, Zinco/Bromo tanto per citarne alcune, che pur essendo in qualche caso commercializzate, soffrono di alcune limitazioni non banali. I principali problemi sono essenzialmente: (i) operazione in ambiente acquoso con i conseguenti limiti dovuti alla limitata finestra di stabilità elettrochimica; (ii) solubilità delle coppie redox (1.5-2 M per la cella Vanadio/Vanadio) che limita l’energia specifica e (iii) costi, selettività e stabilità delle membrane necessarie per separare i compartimenti, anodico e catodico, per evitare il contatto diretto dei reattivi. In questo contesto sono stati proposti diversi approcci. Ad esempio per superare le limitazioni di potenziale accessibile in soluzioni acquose, Goodenough et al. [1] hanno proposto l’uso di litio metallico in solvente organico come anodo accoppiato con una soluzione acquosa di sali di ferro. Il separatore è una ceramica conduttrice di ioni litio. Approcci alternativi sono stati inizialmente proposti da Chiang et al. [2, 3] utilizzando elettroliti contenenti particelle elettroattive costituite da composti utilizzati in batterie al Litio-ione classiche (LTO, LFP etc.) sospese in un elettrolita contenente ioni litio. Le sospensioni, contenute in opportuni recipienti esterni, sono fatte circolare mediante pompe peristaltiche in un reattore in cui anodo e catodo sono separati da una membrana tipo Celgard di comune utilizzo nelle batterie Litio-ione. I componenti attivi formano uno slurry in cui la conduzione elettronica è assicurata da particelle di carbone ad elevata area superficiale (type Ketjen black) che garantisce un network di percolazione per gli elettroni realizzando un collettore di corrente diffuso in tutta la sospensione. Le sospensioni hanno caratteristiche di fluidi non-newtoniani ed il sistema è conosciuto in letteratura con l’acronimo SSFC (Semi-Solid Flow Cell). In recenti pubblicazioni è stata dimostrata la possibilità di ottenere densità di energia dieci volte più alte delle batterie a flusso classiche [4, 5]. Il presente rapporto descrive le ricerche preliminari condotte, sia a livello di documentazione che dal punto di vista strumentale, per la realizzazione e test di SSFC basate su anodi di LTO (Li4Ti5O12) e TiO2. I risultati ottenuti dimostrano che questo tipo di celle sono fattibili, ma che, sia a livello di cella sperimentale che di formulazione delle sospensioni, i problemi da superare richiedono ulteriori approfondimenti.