Ripensare l'accumulo di energia
Verso un futuro sostenibile con le batterie agli ioni di ossigeno
Alexander Opitz, professore di conversione elettrochimica dell'energia presso l'Università di Tecnologia di Vienna, sta studiando come le batterie agli ioni di ossigeno possano essere utilizzate come nuovo tipo di sistema di accumulo dell'energia nell'ambito del Laboratorio Christian Doppler.
La sfida delle energie rinnovabili è che la loro disponibilità dipende fortemente dall'ora del giorno o dalle condizioni meteorologiche. L'elettricità viene prodotta quando il sole splende o il vento soffia. Tuttavia, se l'elettricità non è richiesta direttamente in quel momento, rimane inutilizzata o al massimo viene immagazzinata. Tuttavia, le fluttuazioni causate dai picchi di produzione o di utilizzo rappresentano sempre una sfida per i produttori di elettricità e gli operatori di rete.
Nell'ambito del Christian Doppler (CD) Laboratory for Oxygen Ion Batteries, un team interdisciplinare guidato da Alexander Opitz (Università di Tecnologia di Vienna) sta ora lavorando insieme alla società energetica VERBUND su soluzioni di accumulo innovative. Le batterie agli ioni di ossigeno sono caratterizzate da una produzione a risparmio di risorse, bassi costi di produzione e un elevato livello di sicurezza applicativa. Il Laboratorio CD, finanziato dal Ministero federale dell'Economia, dell'Energia e del Turismo, è stato inaugurato ufficialmente il 22 aprile 2025.
Il Ministro dell'Economia Wolfgang Hattmannsdorfer sottolinea l'importanza della ricerca: "Le sfide del futuro possono essere affrontate solo con nuove conoscenze e nuove idee. I sistemi innovativi di stoccaggio dell'elettricità svolgono un ruolo centrale in questo senso. Il Laboratorio CD sta dando un importante contributo in tal senso con la sua ricerca di base sulle batterie agli ioni di ossigeno sicure e a basso consumo di risorse. Questo non solo rafforza il nostro approvvigionamento energetico, ma anche l'Austria come centro scientifico. È particolarmente importante concentrarsi sui punti di forza dell'Austria: diligenza, inventiva e un elevato livello di competenza scientifica. Auguro ad Alexander Opitz e al suo team di avere successo in questo importante compito".
Un film sottile ceramico a forma di logo della TU Wien stampato a getto d'inchiostro su un cristallo singolo di elettrolita di ossido. La stampa a getto d'inchiostro è uno dei metodi studiati in questo laboratorio CD per la produzione economica e scalabile di film sottili ceramici per le batterie agli ioni di ossigeno.
© TUW/Matthias Heisler
La ceramica come elemento di cambiamento
A differenza delle batterie convenzionali, le batterie agli ioni di ossigeno non richiedono gli elementi critici del litio o del cobalto. Al contrario, vengono utilizzati materiali ceramici abbondanti, il che riduce le dipendenze geopolitiche. Inoltre, le batterie agli ioni di ossigeno non sono né infiammabili né tossiche. L'infiammabilità dei tipi di batterie attualmente disponibili (come quelle al sodio-zolfo o agli ioni di litio) è un particolare punto critico per i sistemi di stoccaggio su larga scala. Mentre le batterie al litio sono state sviluppate specificamente per l'uso mobile e devono soddisfare requisiti corrispondenti, come il peso ridotto, i sistemi di accumulo per uso stazionario possono essere svincolati da questi requisiti. Questo è particolarmente importante per i fornitori di energia come VERBUND, che forniscono gran parte della loro energia da fonti rinnovabili e vogliono utilizzare batterie stazionarie su larga scala per spostare l'energia elettrica dai periodi di alta produzione a quelli di alta domanda.
L'idea di utilizzare i materiali ceramici per le batterie è nata un po' per caso, ricorda Alexander Opitz, responsabile del laboratorio CD: "È stato solo quando abbiamo cambiato prospettiva sul materiale che stavamo studiando per le applicazioni delle celle a combustibile e di elettrolisi che ci siamo resi conto che, in determinate condizioni, le nostre ceramiche possono avere una capacità simile a quella dei materiali convenzionali delle batterie agli ioni di litio. In altre parole, possono immagazzinare una quantità simile di energia".
Trasporto della carica attraverso gli ioni di ossigeno
Le batterie a ioni di ossigeno funzionano riempiendo gli spazi vuoti nel materiale dell'elettrodo di stoccaggio con ioni di ossigeno. Tuttavia, l'ossigeno non viene scambiato con l'atmosfera, ma viene spostato avanti e indietro tra i due elettrodi di accumulo della cella sotto forma di ioni ossido.
Per poter funzionare, la nuova tecnologia deve essere sigillata dall'aria ambiente e funzionare a temperature comprese tra 300 e 500 °C. Questa temperatura è necessaria affinché gli ioni di ossigeno possano immagazzinare energia. Questa temperatura è necessaria affinché gli ioni di ossigeno nei materiali ceramici utilizzati siano sufficientemente mobili e possano spostarsi da un elettrodo all'altro. Se queste condizioni limite sono soddisfatte, l'intero processo è completamente reversibile: in altre parole, gli ioni di ossigeno che sono stati spostati dall'elettrodo negativo a quello positivo quando la batteria è stata caricata possono tornare indietro quando viene scaricata. Questo processo può teoricamente essere ripetuto tutte le volte che è necessario.
Per l'uso come batteria di accumulo stazionaria, che sposta i picchi di produzione di mezzogiorno del fotovoltaico nelle ore serali, ad esempio, questa "migrazione avanti e indietro" degli ioni di ossigeno tra i due elettrodi di accumulo della cella dovrebbe avvenire una volta al giorno.
Michael Strugl, CEO di VERBUND, aggiunge: "La trasformazione dell'energia è una delle maggiori sfide del nostro tempo. Richiede non solo nuove tecnologie, ma soprattutto una ricerca continua e intensa. Collaborando con la comunità scientifica, ad esempio nell'ambito del Christian Doppler Laboratory, possiamo aiutare innovazioni come la batteria agli ioni di ossigeno a diventare più rapidamente commerciabili, contribuendo così a risolvere il problema dell'accumulo di energia".
Se l'energia non può essere immagazzinata, la produzione delle centrali elettriche deve essere deliberatamente ridotta per non sovraccaricare le reti elettriche. Ciò comporta la perdita di energia preziosa che sarebbe necessaria in seguito. Nuovi tipi di stoccaggio dell'energia elettrica sono quindi di grande importanza per l'espansione delle energie rinnovabili.
La motivazione della TU Wien e di VERBUND è quindi quella di creare le basi scientifiche per lo sviluppo delle batterie agli ioni di ossigeno in una potente alternativa alle tecnologie di batteria esistenti, facile da produrre e da scalare. Oltre ai sistemi di accumulo su larga scala per i produttori di energia elettrica e gli stessi gestori di rete, sarebbe ipotizzabile il loro utilizzo anche per i sistemi di accumulo domestici.
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