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La batteria a metallo liquido: costi bassi e una lunga durata
La batteria a metallo liquido sarà in rete l’anno prossimo. Il suo design a base di calcio e antimonio fuso promette bassi costi e lunga durata
L’antimonio è un elemento chimico che potrebbe trovare nuova vita nel catodo di una batteria a metallo liquido. Il costo è una variabile cruciale per qualsiasi batteria che possa rappresentare un’opzione valida per l’accumulo di energia rinnovabile sulla rete.
Un’analisi dei ricercatori del MIT ha dimostrato che lo stoccaggio di energia dovrebbe costare solo 20 dollari USA per chilowattora affinché la rete sia alimentata completamente da vento e sole. Un sistema di batterie agli ioni di litio completamente installato da 100 megawatt e 10 ore di stoccaggio in rete ora costa circa $ 405 / kWh, secondo un rapporto del Pacific Northwest National Laboratory. Ora, però, una batteria al metallo liquido, la cui introduzione è prevista per il 2024, potrebbe ridurre notevolmente i costi di stoccaggio dell’energia.
Donald Sadoway, chimico dei materiali e professore emerito al MIT, ha tenuto conto della convenienza economica nelle sue numerose invenzioni di batterie nel corso degli anni, tra cui una recente batteria alluminio-zolfo. Il basso costo ha motivato anche la batteria a metallo liquido, contenente elettrodi di metallo fuso e un elettrolita di sale fuso, che ha inventato e poi avviato alla commercializzazione fondando la startup Ambri nel 2010.
La batteria di rete di Ambri costa da $ 180/kWh a $ 250/kWh a seconda delle dimensioni e della durata, afferma la società. Ma il suo costo previsto è di circa $ 21/kWh entro il 2030, secondo un articolo di Sadoway pubblicato nell’ottobre 2021 sulla rivista Renewable and Sustainable Energy Reviews. E l’azienda di Marlborough, Massachusetts, è ora pronta per la sua prima installazione. Ambri e la società di servizi pubblici Xcel Energy inizieranno l’installazione di un sistema da 300 kWh ad Aurora, Colorado, all’inizio del 2024. Il sistema dovrebbe essere pienamente operativo entro la fine di quell’anno.
Il costo inferiore della batteria a metallo liquido deriva da materiali, chimica e progettazione del sistema più semplici rispetto agli ioni di litio e dalla sua maggiore durata, afferma Sadoway. “Il concetto di batteria al metallo liquido la rende unica per lo stoccaggio stazionario. Non è infiammabile, a differenza del litio. Ed è resistente all’esaurimento della capacità. Abbiamo dati su migliaia di cicli di carica, il che significa anni di funzionamento. Dovrebbe durare 20 anni e mantenere il 95% della sua capacità. Vi invito a trovare qualcuno che abbia una batteria agli ioni di litio funzionante da 20 anni”.
Le batterie convenzionali sono di solito realizzate con due elettrodi solidi (grafite e un ossido di litio metallico nel caso delle batterie agli ioni di litio) e un elettrolita liquido, insieme a separatori, membrane e altri elementi che aggiungono costi. Durante i cicli di carica e scarica, quando gli ioni dell’elettrolita fluiscono dentro e fuori dagli elettrodi, i materiali solidi si espandono e si contraggono. Le ripetute variazioni di volume distruggono le particelle nel tempo, provocando un calo della capacità della batteria.
La batteria a metallo liquido di Ambri è composta da tre strati liquidi impilati insieme in base alla densità. Il più denso, un catodo di antimonio fuso, si trova sul fondo, l’anodo in lega di calcio leggera è in cima e l’elettrolita di sale di cloruro di calcio a densità intermedia si trova nel mezzo. “Pensate all’olio e all’aceto per l’insalata”, dice Sadoway, “solo che qui ci sono tre strati e si separano perché sono immiscibili”.
Il design del metallo liquido richiede meno componenti e la chimica si basa sulla lega, quindi non c’è rottura del materiale solido, afferma Sadoway. Durante la scarica, l’anodo di calcio rilascia ioni di calcio che si spostano attraverso l’elettrolita al catodo, dove formano una lega di calcio-antimonio. Il processo si inverte durante la ricarica. “Non c’è nessuna membrana, nessun separatore”, dice Sadoway. “Tutti questi elementi di semplicità si combinano con la resilienza”.
Quando IEEE Spectrum si occupò per la prima volta di Ambri, 10 anni fa, l’azienda stava pensando al litio o al magnesio come anodo. Il passaggio al calcio è avvenuto per mantenere bassi i costi, dice Sadoway.
Uno svantaggio della nuova chimica della batteria, tuttavia, è stato il lungo viaggio verso la distribuzione. “Quando abbiamo iniziato il viaggio verso la commercializzazione, non c’era nessuno su cui fare affidamento”, afferma Sadoway. “Tutti i fantastici progressi che sono stati fatti nella produzione di ioni di litio sono praticamente inapplicabili in questo caso. La chimica è diversa, il fattore forma è diverso. Quindi abbiamo dovuto inventare tutto, compresi i macchinari di produzione”.
L’azienda ha ora un grosso ordine di batterie da Microsoft, che vuole abbandonare i generatori diesel come fonti di energia di riserva nei suoi data center. Microsoft ha testato la batteria di Ambri l’anno scorso.
Man mano che Ambri cresce, dovrà garantirsi una fornitura costante di antimonio. Quasi il 90 percento dell’antimonio mondiale oggi proviene da Cina, Russia e Tagikistan, secondo Investor Intel. Nell’agosto 2021, Ambri ha firmato un accordo di fornitura con Perpetua Resources, uno dei pochi produttori statunitensi di antimonio.
Anche Molten Metals Corp., una società canadese di esplorazione mineraria, sta cercando di produrre antimonio in Nord America. La società detiene i diritti minerari di una miniera di antimonio in Nuova Scozia che è stata abbandonata dagli anni ’60. Il rappresentante di Molten Metals, Brooklyn Reed, afferma che la società sta lavorando con i proprietari terrieri esistenti per riavviare le operazioni minerarie.
“C’è antimonio in Nord America, non si trova solo in Cina”, afferma Sadoway. “Non continui a cercare più risorse se hai soddisfatto le esigenze del mercato. Per ora possiamo soddisfare il fabbisogno di antimonio e l’offerta potrebbe tenere il passo con la crescita. Man mano che questi bisogni crescono, possiamo passare a cercare fonti più grandi. Non stiamo chiedendo più di quanto sia disponibile nella crosta terrestre”.
fonte articolo: Liquid-Metal Battery Will Be on the Grid Next Year The molten calcium-antimony design promises low cost and long life leggi anche I miracoli della ricerca: una batteria ricaricabile edibile
