Dai rifiuti al tesoro: l'utilizzo dei rifiuti industriali per l'accumulo di energia

Ora, un team della Northwestern University ha trasformato un prodotto organico di scarto dell'industria in un efficiente dispositivo di accumulo per soluzioni energetiche sostenibili, che un giorno potrebbe essere utilizzato su scala molto più ampia. Mentre molte iterazioni di queste batterie, chiamate batterie redox-flow, sono già in produzione o in fase di ricerca per applicazioni su scala di rete, l'uso di una molecola di scarto - l'ossido di trifenilfosfina (TPPO) - rappresenta una novità assoluta nel campo.

Migliaia di tonnellate del noto sottoprodotto chimico vengono generate ogni anno in molti processi di sintesi industriale organica - compresa la produzione di alcune vitamine - ma sono inutilizzabili e devono essere smaltite con cura dopo la produzione.

Un articolo pubblicato sul Journal of the American Chemical Society dimostra che i chimici possono utilizzare una "reazione one-pot" per trasformare il TPPO in un prodotto utilizzabile che ha un elevato potenziale di accumulo di energia, aprendo la possibilità di utilizzare batterie redox-flow organiche derivate dai rifiuti, un tipo di batteria che è stato a lungo immaginato.

"La ricerca sulle batterie è stata tradizionalmente dominata da ingegneri e scienziati dei materiali", afferma Christian Malapit, chimico della Northwestern University e autore principale dello studio. "I chimici sintetici possono dare un contributo convertendo un prodotto organico di scarto in una molecola che accumula energia. La nostra scoperta dimostra il potenziale di conversione dei materiali di scarto in risorse preziose e fornisce un percorso sostenibile per l'innovazione nella tecnologia delle batterie".

Malapit è professore assistente presso il Dipartimento di Chimica del Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University.

Il mercato delle batterie a flusso redox, attualmente solo una piccola parte del mercato delle batterie, dovrebbe crescere del 15% tra il 2023 e il 2030, raggiungendo un valore di 700 milioni di euro a livello mondiale. A differenza delle batterie al litio e di altre batterie allo stato solido, che immagazzinano l'energia negli elettrodi, le batterie a flusso redox utilizzano una reazione chimica per pompare l'energia avanti e indietro tra gli elettroliti dove viene immagazzinata. Sebbene non siano altrettanto efficienti nell'immagazzinare l'energia, le batterie a flusso redox sono considerate una soluzione migliore per l'accumulo di energia su scala di rete.

"Non solo è possibile utilizzare una molecola organica, ma è anche possibile ottenere un'alta densità di energia - avvicinandosi ai suoi concorrenti a base di metallo - e un'elevata stabilità", ha dichiarato Emily Mahoney, dottoranda nel laboratorio di Malapit e prima autrice dello studio. Questi due parametri sono tradizionalmente difficili da ottimizzare, quindi è particolarmente emozionante dimostrarlo per una molecola derivata dai rifiuti".

Per ottenere sia la densità energetica che la stabilità, il team ha dovuto trovare una strategia che permettesse agli elettroni di impacchettarsi strettamente nella soluzione senza perdere capacità di immagazzinamento nel tempo. Hanno guardato al passato e hanno trovato un articolo del 1968 che descriveva l'elettrochimica degli ossidi di fosfina e, dice Mahoney, "si sono messi al lavoro".

Per valutare la resistenza della molecola come potenziale dispositivo di accumulo di energia, il team ha condotto dei test utilizzando esperimenti di carica e scarica elettrochimica statica che assomigliavano alla carica di una batteria, all'utilizzo della batteria e alla sua successiva ricarica. Dopo 350 cicli, la batteria è rimasta straordinariamente sana, perdendo solo una piccola quantità di capacità nel tempo.

"Questo è il primo caso in cui gli ossidi di fosfina, un gruppo funzionale della chimica organica, vengono utilizzati come componenti redox-attivi nella ricerca sulle batterie", ha dichiarato Malapit. "Tradizionalmente, gli ossidi di fosfina ridotti sono molto instabili. Il nostro approccio di ingegneria molecolare affronta questa instabilità e apre la strada alla loro applicazione nell'accumulo di energia".

Nel frattempo, il gruppo spera che altri ricercatori riprendano l'argomento e inizino a lavorare con il TPPO per ottimizzarne e migliorarne ulteriormente il potenziale.