Con una densità energetica a livello di pila di 1.200 Wh/kg la nuova cella a combustibile alimentata a sodio metallico liquido ed aria potrebbe decarbonizzare facilmente settori l'aviazione o il trasporto marittimo
Fuel cell sodio-aria per alimentare aeri treni e navi di domani
Potrebbe trasportare oltre tre volte l’energia conservata nelle batterie al litio, senza gravare in termini di peso. Parliamo della nuova fuel cell sodio-aria, cella elettrochimica realizzata da un gruppo di scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), negli Stati Uniti. La soluzione è stata espressamente elaborata per superare i limiti delle attuali ricaricabili nell’alimentazione dei mezzi di trasporto pesanti e, stando ai risultati pubblicati dal team sulla rivista Joule, l’obiettivo potrebbe esser stato centrato in pieno.
Oltre le ricaricabili metallo-aria
Il dispositivo in questione è in realtà una via di mezzo tra una tradizionale cella a combustibile e una batteria sodio-aria. L’obiettivo del lavoro era superare i limiti di questa coppia elettrochimica (o più in generale delle metallo-aria) nelle versioni batteria. A fronte di alcune delle più alte densità di energia teoriche conosciute le celle secondarie sodio-aria mostrano, infatti, ancora diversi problemi di ricaricabilità.
Problemi che non si presentano con le celle a combustibile, dal momento che per “fare il pieno” basta aggiungere nuovo combustibile.
La fuel cell messa a punto dal MIT con la collaborazione di altri istituti, utilizza come combustibile sodio metallico liquido (punto di fusione 98 °C) e incorpora un elettrolita solido conduttore di ioni sodio (allumina Na-β). A completare la cella un elettrodo poroso rivolto verso l’aria che aiuta il sodio a reagire chimicamente con l’ossigeno e a produrre elettricità. Il prodotto di scarico? Idrossido di sodio (NaOH).
Gli scienziati hanno realizzato due diverse versioni delle fuel cell sodio-aria. Nella prima, chiamata cella H, due tubi di vetro verticali sono collegati da un tubo al centro, che contiene l’elettrolita ceramico solido e l’elettrodo poroso ad aria. Il sodio metallico liquido riempie il tubo da un lato, mentre l’aria fluisce attraverso l’altro, fornendo l’ossigeno per la reazione elettrochimica al centro. Il secondo utilizza un design orizzontale, con un vassoio di materiale elettrolitico che contiene il sodio liquido. L’elettrodo ad aria porosa è fissato sul fondo del vassoio.
Fuel cell sodio-aria, densità energetica da 1200 Wh/kg
I test di laboratorio hanno dimostrato che la fuel cell sodio-aria può trasportare oltre tre volte l’energia rispetto a quella accumulata nelle batterie agli ioni di litio per unità di peso. Nel dettaglio il prototipo ha mostrato una densità energetica di 1.200 Wh/kg (1.295 Wh/L) a una densità di corrente di 80 mA/cm². E di 1.540 Wh/kg (1.760 Wh/L) a 40 mA/cm². A titolo di confronto una ricaricabile a ioni di litio raggiunge massimo 300 Wh/kg.
“La soglia di cui si ha realmente bisogno per un’aviazione elettrica realistica è di circa 1.000 Wh per chilogrammo”, afferma il professore Yet-Ming Chiang del MIT, secondo cui la nuova tecnologia potrebbe abilitare una nuova era per i trasporti pesanti.
Nota bene: il sodio metallico è estremamente reattivo e rischia di incendiarsi se esposto all’umidità. Quindi anche in questo caso la sicurezza deve essere una priorità progettuale. Tuttavia, spiegano i ricercatori in questa cella a combustibile, un lato è costituito solo da aria, “diluita e limitata. Quindi non si hanno due reagenti concentrati uno accanto all’altro”.
Leggi la ricerca “Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power” pubblicata su Joule.
