Trieste, 28 luglio 2022 – Un team di ricerca coordinato dall'Università di Trieste ha condotto uno studio fondamentale su un materiale innovativo, essenziale al funzionamento delle batterie metallo-aria, una tipologia di batterie ricaricabili che potrebbe sostiture le batterie al litio, ma che al momento presenta limiti che ne frenano lo sviluppo. Il lavoro, pubblicato su ACS Catalysis, è stato coordinato da Erik Vesselli, professore del dipartimento di fisica dell'Università di Trieste, con il contributo dei prof. Silvio Modesti e Maria Peressi, e in collaborazione con il Politecnico di Milano e l'Università di Lund. Lo studio ha visto la collaborazione inoltre quattro studenti di Dottorato in Fisica ed un ex studente della Laurea Magistrale Interateneo in Fisica dell'ateneo triestino (i primi 5 autori).
"Il lavoro che abbiamo condotto – dichiara Erik Vesselli, professore in fisica sperimentale della materia presso il dipartimento di fisica dell'Università di Trieste - testimonia come questo approccio rappresenti una strada molto promettente nel settore dell'energia green. Nel caso specifico, la tecnologia delle batterie metallo-aria potrebbe in futuro sostituire progressivamente quella legata agli ioni di litio, sia per applicazioni mobili che stanziali, con vantaggi in termini di taglia e capacità delle batterie, sicurezza, costi e compatibilità ambientale".
Le batterie ricaricabili, in generale, rappresentano una prospettiva promettente per accumulare l'energia da fonti rinnovabili, ma le attuali tecnologie sono caratterizzate da limiti legati ai materiali, ai costi, alla capacità, alla vita media ed alla velocità di ricarica. Le batterie ricaricabili basate sugli ioni di litio, ad esempio, sono molto inquinanti e costose, non hanno lunga durata e hanno tempi di ricarica molto lunghi.
Le batterie metallo aria, una delle alternative studiate a livello internazionale, possono portare a un'importante evoluzione, nonostante non siano una novità tecnologica recente. Una batteria ricaricabile metallo-aria consiste in due elettrodi, un anodo metallico ed un catodo poroso che letteralmente "respira" l'aria, "inspirando" ed "espirando" ossigeno nel ciclo di scarica e carica. I due elettrodi sono separati da un elettrolita - il mezzo attraverso cui scorrono gli ioni carichi - che può essere solido o liquido. Questa soluzione, basata su materiali grazie ai quali la batteria "respira" l'ossigeno a zero impatto, è già stata impiegata in passato e permette di raggiungere una densità di energia maggiore rispetto ad esempio alle batterie agli ioni di litio. Per renderla veramente efficiente, tuttavia, servono materiali molto particolari sugli elettrodi, detti bifunzionali, ovvero che devono essere in grado di catalizzare reazioni chimiche opposte in fase di carica e scarica, rispettivamente.
Il materiale innovativo oggetto dello studio coordinato dall'Università di Trieste rappresenta un ottimo candidato per gli elettrodi in questione. Si tratta di un materiale bidimensionale biomimetico, sintetizzato ad hoc copiando le caratteristiche fondamentali di struttura geometrica, struttura elettronica e funzionalità di sistemi presenti in Natura.
Sfruttando una combinazione di tecniche sperimentali uniche, abbinate a simulazioni teoriche, i ricercatori sono riusciti ad osservare direttamente e a descrivere il "complesso chiave" della reazione di riduzione dell'ossigeno (Oxygen Reduction Reaction - ORR), svelando il ruolo dell'acqua in qualità di solvente che partecipa direttamente ed attivamente alla reazione chimica, governando il trasferimento di carica e di energia. Si tratta di uno studio fondamentale, eseguito in ambiente controllato e su materiali modello, ma che ha prodotto dei risultati che rappresentano un importante avanzamento nella comprensione dei meccanismi di strategica importanza per lo sviluppo tecnologico futuro di nuove famiglie di batterie ricaricabili. In particolare, i materiali metallorganici biomimetici risultano estremamente stabili da un punto di vista chimico e permettono potenzialmente l'embedding di una bifunzionalità (attività per la carica e scarica della batteria) in un unico materiale monofasico, anziché dover progettare materiali distinti per le due funzioni.
Studio Pubblicato su ACS Catalysis
Single Metal Atom Catalysts and ORR: H‑Bonding, Solvation, and the Elusive Hydroperoxyl Intermediate
Francesco Armillotta 1, Davide Bidoggia 1 , Stefania Baronio 1, Pietro Biasin 1, Antonio Annese 1,
Mattia Scardamaglia 2, Suyun Zhu 2, Benedetto Bozzini 3, Silvio Modesti 1,4, Maria Peressi 1, and Erik Vesselli 1,4.
- Department of Physics, University of Trieste, via A. Valerio 2, 34127 Trieste, Italy
- MAX IV Laboratory, Fotongatan 8, 224 84 Lund, Sweden
- Department of Energy, Politecnico di Milano, 20156 Milano, Italy
- CNR-IOM, Area Science Park, S.S. 14 km 163.5, 34149 Basovizza, Trieste, Italy
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