Roma – Un team della Northwestern University ha trasformato un prodotto di scarto organico su scala industriale in un agente di stoccaggio efficiente per soluzioni energetiche sostenibili che un giorno potranno essere applicate su scale molto più grandi. Mentre molte iterazioni di queste batterie, chiamate batterie a flusso redox, sono in produzione o in fase di ricerca per applicazioni su scala di rete, l’utilizzo di una molecola di scarto, l’ossido di trifenilfosfina (TPPO), ha segnato una novità nel campo.
Ogni anno, migliaia di tonnellate di questo noto sottoprodotto chimico vengono prodotte da numerosi processi di sintesi industriale organica, tra cui la produzione di alcune vitamine, ma diventano inutilizzabili e devono essere smaltiti con cura dopo la produzione.
In un articolo pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, una reazione “one-pot” consente ai chimici di trasformare il TPPO in un prodotto utilizzabile con un potente potenziale per immagazzinare energia, aprendo la porta alla fattibilità di batterie a flusso redox organiche derivate dai rifiuti, un tipo di batteria a lungo immaginato.
“La ricerca sulle batterie è stata tradizionalmente dominata da ingegneri e scienziati dei materiali”, ha affermato il chimico della Northwestern e autore principale Christian Malapit. “I chimici sintetici possono contribuire al campo ingegnerizzando a livello molecolare un prodotto di scarto organico in una molecola che immagazzina energia. La nostra scoperta mostra il potenziale di trasformare composti di scarto in risorse preziose, offrendo un percorso sostenibile per l’innovazione nella tecnologia delle batterie”.
Una piccola parte del mercato delle batterie al momento, il mercato delle batterie a flusso redox dovrebbe aumentare del 15% tra il 2023 e il 2030 per raggiungere un valore di 700 milioni di euro in tutto il mondo. A differenza del litio e di altre batterie allo stato solido che immagazzinano energia negli elettrodi, le batterie a flusso redox utilizzano una reazione chimica per pompare energia avanti e indietro tra gli elettroliti, dove viene immagazzinata. Sebbene non siano così efficienti nell’immagazzinamento dell’energia, si pensa che le batterie a flusso redox siano soluzioni molto migliori per l’immagazzinamento dell’energia su scala di rete.
“Non solo è possibile utilizzare una molecola organica, ma può anche raggiungere un’elevata densità energetica, avvicinandosi ai suoi concorrenti basati sui metalli, insieme a un’elevata stabilità”, ha affermato Emily Mahoney, dottoranda nel laboratorio Malapit e prima autrice del documento. “Questi due parametri sono tradizionalmente difficili da ottimizzare insieme, quindi essere in grado di dimostrarlo per una molecola derivata da rifiuti è particolarmente entusiasmante”.
Per ottenere sia densità energetica che stabilità, il team aveva bisogno di identificare una strategia che consentisse agli elettroni di impacchettarsi strettamente insieme nella soluzione senza perdere capacità di stoccaggio nel tempo. Hanno guardato al passato e hanno trovato un articolo del 1968 che descriveva l’elettrochimica degli ossidi di fosfina e, secondo Mahoney, “hanno continuato”.
Quindi, per valutare la resilienza della molecola come potenziale agente di accumulo di energia, il team ha eseguito test utilizzando esperimenti di carica e scarica elettrochimica statica simili al processo di carica di una batteria, utilizzo della batteria e successiva ricarica, più e più volte. Dopo 350 cicli, la batteria ha mantenuto una salute notevole, perdendo una capacità trascurabile nel tempo.
“Questo è il primo esempio di utilizzo di ossidi di fosfina, un gruppo funzionale nella chimica organica, come componente redox-attivo nella ricerca sulle batterie”, ha affermato Malapit. “Tradizionalmente, gli ossidi di fosfina ridotti sono altamente instabili. Il nostro approccio di ingegneria molecolare affronta questa instabilità, aprendo la strada alla loro applicazione nell’accumulo di energia”.
Nel frattempo, il gruppo spera che altri ricercatori raccolgano l’incarico e inizino a collaborare con TPPO per ottimizzarne e migliorarne ulteriormente il potenziale.(30Science.com)
