I ricercatori testano il nuovo titanio

Gli scienziati del Forschungszentrum Jülich hanno sviluppato e testato con successo in laboratorio una nuova batteria titanio-aria in collaborazione con i ricercatori del Technion - Israel Institute of Technology di Haifa. Questa è la prima volta che vengono pubblicati i risultati sperimentali di una batteria di questo tipo in cui viene utilizzato il titanio come materiale attivo. Il metallo è interessante come materiale per l'accumulo di elettricità perché ogni atomo può donare fino a quattro elettroni per il trasferimento di carica, pur essendo allo stesso tempo relativamente leggero ed estremamente resistente.

Batteria titanio-aria

Centro di ricerca Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Schizzo della batteria titanio-aria

Centro di ricerca Jülich/Marcel Kaltenberg

Il titanio è noto come materiale passivo e stabile. I ricercatori sono riusciti a utilizzare il suo potenziale elettrochimico per l'immagazzinamento di energia elettrica applicando un liquido ionico chiamato EMIm(HF)2.3F. I liquidi ionici sono costituiti da sali con un punto di fusione atipico, molto basso, che vengono utilizzati in una varietà di applicazioni grazie alle loro speciali proprietà elettriche e materiali.

Le batterie titanio-aria hanno teoricamente una densità energetica da due a tre volte superiore a quella delle batterie zinco-aria, che oggi vengono utilizzate come pile a bottone standard negli apparecchi acustici, nei moduli di controllo e nei sensori. La tensione teoricamente raggiungibile della batteria titanio-aria è simile a quella delle batterie zinco-aria. Negli esperimenti è stato possibile misurare una tensione media delle celle fino a 1,2 Volt e correnti di scarica relativamente elevate fino a 0,75 mA cm-2.

Nelle batterie metallo-aria, il metallo contenuto reagisce con l'ossigeno presente nell'aria per rilasciare energia elettrica. Questo tipo di batteria occupa quindi una posizione speciale tra le batterie, poiché uno dei due partner di reazione, l'ossigeno, viene ottenuto dall'aria ambiente tramite un elettrodo speciale e non deve essere conservato nella batteria. Pertanto, con questi sistemi è possibile realizzare densità di energia significativamente più elevate rispetto ai comuni tipi di batterie, almeno in teoria.

Per questo motivo le batterie metallo-aria sono particolarmente adatte per applicazioni dove sono importanti le dimensioni compatte. Un’altra potenziale area di applicazione è nei sistemi di stoccaggio stazionari su larga scala che utilizzano materiali a basso costo, comuni e non tossici. Ad esempio, il titanio, sebbene noto come materiale costoso, è molto più economico del litio in termini di costi del materiale, ma è più costoso dell’alluminio. Il titanio è il nono materiale più frequente nella crosta terrestre, quindi le risorse disponibili sono altrettanto abbondanti.

L'obiettivo principale della ricerca sono i materiali anodici per batterie metallo-aria, zinco, alluminio, ferro e silicio per batterie aria-silicio. Il titanio, invece, non è stato quasi mai considerato un materiale attivo e non sono ancora disponibili risultati sperimentali.

Lo sviluppo del nuovo concetto di batteria è stato effettuato in stretta collaborazione tra il Dr. Yasin Emre Durmus dell’Istituto Jülich per la ricerca sull’energia e il clima (IEK-9), guidato dal Professor Rüdiger-A. Eichel e il professor Yair Ein-Eli del Technion, che hanno trascorso un anno sabbatico di sette mesi presso l'IEK-9 nell'ambito della cooperazione ombrello tra Forschungszentrum Jülich, Technion e RWTH Aachen University.

Yasin Emre Durmus, Marcel Kaltenberg, Krzysztof Dzieciol, Maximilian Schalenbach, Danny Gelman, Boris Shvartsev, Hermann Tempel, Hans Kungl, Rüdiger-A. Eichel, Yair Ein-Eli; Rompere il muro di passività dei metalli: Exempli gratia batteria Ti-aria non acquosa: Chemical Engineering Journal, Volume 461, 2023

La nuova tecnologia delle batterie ha il potenziale per ridurre significativamente i costi di stoccaggio dell’energia

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