Ricerca di Sistema Elettrico. Studi di base sulla batteria redox vanadio/vanadio

I problemi legati al riscaldamento globale e alla razionalizzazione della gestione della rete elettrica in presenza di un crescente sviluppo delle energie rinnovabile hanno dato un notevole impulso alla ricerca di efficaci sistemi di accumulo di energia elettrica. In questo quadro, una crescente attenzione è stata rivolta allo sviluppo delle batterie redox a flusso dove, grazie al fatto che i reattivi sono immagazzinati all’esterno del reattore vero e proprio, potenza ed energia sono disaccoppiate. Nelle batterie redox a flusso i reattivi, costituiti da coppie redox in soluzione acquosa, sono fatti circolare da pompe in un elettrolizzatore costituito da celle elettrochimiche in serie dove i compartimenti anodico e catodico sono separati da membrane a conduzione cationica o anionica che impediscono il contatto diretto dei reattivi. Esistono vari tipi di batterie redox che utilizzano coppie redox diverse all’anodo ed al catodo. Esempi di sistemi sviluppati sono: Vanadio/bromo, Bromo/Polisolfuri, Ferro/Cromo, Idrogeno/Bromo, Zinco/Bromo, Zinco/Cerio e Vanadio/Vanadio. Recentemente sono state proposte anche batterie a flusso non acquose basate sull’elettrochimica delle batterie al litio. Nella configurazione a flusso il materiale attivo catodico è una sospensione di particelle solide in un solvente organico contenente ioni litio. Rispetto alle redox classiche, una configurazione di questo tipo offre vantaggi sia in termini di potenza che di energia. In questo quadro s’inserisce la presente ricerca volta allo sviluppo di modelli per la gestione della batteria Vanadio/Vanadio che sfrutta le coppie redox V(III)/V(II) e V(V)/V(IV) in soluzioni concentrate di H2SO4 all’anodo e al catodo, rispettivamente. I problemi di gestione della batteria Vanadio/Vanadio sono legati essenzialmente a due fenomeni che concorrono a sbilanciare la cella durante il funzionamento. Ambedue i fenomeni, cross-over degli ioni e eletto-osmosi di acqua, sono legati alla presenza della membrana. Il cross- over, che dipende dalla selettività della membrana rispetto agli ioni presenti in soluzione, determina trasferimento di ioni fra le semi-celle con conseguente perdita di capacità. Il trasferimento di acqua, causato dal campo elettrico e dalle differenze di forza ionica, produce variazioni di concentrazione ed eventuale precipitazione di sali quando sono superati i limiti di solubilità. I due processi sono reversibili perché, essendo il sistema chiuso, le condizioni iniziali di equilibrio possono essere ripristinate mediante rimescolamento delle soluzioni. Altri processi come lo sviluppo d’idrogeno all’anodo causato da overcharge, sono irreversibili e richiedono una correzione per via chimica od elettrochimica. Una corretta gestione della batteria richiede pertanto lo sviluppo di metodi affidabili di monitoraggio delle concentrazioni. In questo quadro è stato sviluppato un test elettrochimico basato su elettrolisi a potenziale controllato in strato sottile per la determinazione coulometrica sia della concentrazione che dello stato di ossidazione formale del vanadio che utilizza le soluzioni elettrolitiche tal quali senza necessità di ricorrere a diluizioni. E’ stato inoltre messo a punto un sistema per correlare il potenziale a circuito aperto (OCV) con lo stato di carica (SOC) che utilizza la spettroscopia UV-Visibile ottenendo risultati accettabili per l’elettrolita anodico. Sono state inoltre eseguite prove di carica e scarica utilizzando una batteria a dieci elementi, potenziale formale12.5 V, gentilmente fornita dalla Ditta AEA-Loccioni.