Rinnovabili • Batterie litio-zolfo allo stato solido

Batterie litio-zolfo allo stato solido, verso un’energia specifica imbattibile

Creato un nuovo materiale cristallino per il catodo, ad alta conduttività elettrica e in grado di autoripararsi dopo ogni carica

Batterie litio-zolfo allo stato solido
Foto di Kumpan Electric su Unsplash

Batterie litio-zolfo allo stato solido, gli ultimi progressi scientifici

(Rinnovabili.it) – La leggerezza, l’elevata energia specifica (550 Wh/kg) e i costi contenuti hanno da sempre identificato le batterie litio-zolfo come uno dei più promettenti sostituiti della tecnologia a ioni di litio. Oggi rappresentano ancora un prodotto poco competitivo ma i miglioramenti messi in campo negli ultimi anni hanno riacceso la speranza di poter portare sul mercato linee concorrenziali. Non solo. Hanno spronato il mondo scientifico a puntare ancora più in alto verso una versione allo stato solido.

Perché passare da un’elettrolita liquido organico (proprio delle attuali Li-S) ad uno solido? Perché l’energia specifica potrebbe crescere esponenzialmente, fino ad un valore teorico di 2600 Wh/kg. Di fronte a questa cifra, sebbene abbastanza irrealistica nella pratica, ogni sforzo è giustificato. E gli sforzi messi in campo devono essere numerosi dal momento che le batterie litio-zolfo allo stato solido possiedono un grande difetto. Le caratteristiche intrinseche del catodo in zolfo, infatti, tendono a compromettere rapidamente le prestazioni complessive e la durata del dispositivo. Questo perché lo zolfo non solo è un cattivo conduttore di elettroni, ma il suo elettrodo subisce anche una significativa espansione e contrazione durante la carica e la scarica, portando a danni strutturali e ad una diminuzione del contatto con l’elettrolita solido. 

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Un pizzico di iodio nel cristallo di zolfo

Per superare queste sfide, un gruppo di scienziati guidato da ricercatori del Sustainable Power and Energy Center della UC San Diego ha sviluppato un nuovo materiale catodico. Il team ha creato un cristallo composto da zolfo e iodio. Le molecole di quest’ultimo hanno la capacità di aumentare drasticamente la conduttività elettrica del catodo, rendendolo “100 miliardi di volte più conduttivo dei cristalli costituiti da solo zolfo”, scrive l’ateneo californiano.

 Inoltre il nuovo materiale cristallino possiede un basso punto di fusione (65°Celsius) che gli permette di ri-fondersi facilmente dopo la carica per riparare le interfacce danneggiate. “Questa  – spiega l’UC di San Diego – è una caratteristica importante per affrontare il danno cumulativo che si verifica all’interfaccia solido-solido tra il catodo e l’elettrolita durante ripetute operazioni di carica e scarica”. Per convalidare l’efficacia del nuovo catodo, i ricercatori hanno costruito una batteria litio-zolfo allo stato solido sperimentale e l’hanno sottoposta a ripetuti cicli di carica e scarica. Il dispositivo è rimasto stabile per oltre 400 cicli mantenendo l’87% della sua capacità iniziale. La ricerca è stata pubblicata su Nature (testo in inglese).

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Turbine eoliche ad asse verticale

Turbine eoliche ad asse verticale, efficienza migliorata del 200%

Dall'EPFL svizzero il primo studio che applica un algoritmo di apprendimento automatico alla progettazione della pale delle turbine VAWT

Turbine eoliche ad asse verticale
via depositphotos

Nuovi progressi per le turbine eoliche ad asse verticale

Un aumento dell’efficienza del 200% e una riduzione delle vibrazioni del 70%. Questi due dei grandi risultati raggiunti nel campo delle turbine eoliche ad asse verticale,  presso l’UNFoLD, il laboratorio di diagnostica del flusso instabile della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL). Il merito va a Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners che, in un’anteprima mondiale hanno migliorato questa specifica tecnologia impiegando un algoritmo di apprendimento automatico.

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Turbine eoliche VAWT, vantaggi e svantaggi

Si tratta di un progresso a lungo atteso dal comparto. Le turbine eoliche ad asse verticale o VAWT per usare l’acronimo inglese di “Vertical-axis wind turbines” offrono sulla carta diversi vantaggi rispetto ai classici aerogeneratori ad asse orizzontale. Ruotando attorno ad un asse ortogonale al flusso in entrata, il loro lavoro risulta indipendente dalla direzione del vento, permettendogli di funzionare bene anche nei flussi d’aria urbani. Inoltre offrono un design più compatto e operano a frequenze di rotazione più basse, il che riduce significativamente il rumore e il rischio di collisione con uccelli e altri animali volanti. E ancora: le parti meccaniche della trasmissione possono essere posizionate vicino al suolo, facilitando la manutenzione e riducendo i carichi strutturali.

Perché allora non sono la scelta dominante sul mercato eolico? Come spiega lo stesso Le Fouest, si tratta di un problema ingegneristico: le VAWT funzionano bene solo con un flusso d’aria moderato e continuo. “Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno chiamato stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare“, scrive Celia Luterbacher sul sito dell’EPFL.

Energia eolica e algoritmi genetici

Per aumentare la resistenza, i ricercatori hanno cercato di individuare profili di inclinazione ottimali.  Il lavoro è iniziato montando dei sensori, direttamente su una turbina in scala ridotta, a sua volta accoppiata ad un ottimizzatore funzionante con algoritmi genetici di apprendimento. Di cosa si tratta? Di una particolare tipologia di algoritmi euristici basati sul principio della selezione naturale.

Quindi muovendo la pala avanti e indietro con angoli, velocità e ampiezze diverse, hanno generato una serie di profili di inclinazione. “Come in un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili più efficienti e robusti e ha ricombinato i loro tratti per generare una ‘progenie’ nuova e migliorata”. Questo approccio ha permesso a Le Fouest e Mulleners non solo di identificare due serie di profili di passo che contribuiscono a migliorare significativamente l’efficienza e la robustezza della macchina, ma anche di trasformare la più grande debolezza delle turbine eoliche ad asse verticale in un punto di forza. I risultati sono riportati su un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.

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