Batteria al litio e CO2?

Il problema rappresentato dall’anidride carbonica in eccesso è forse noto in tutto il mondo, ma un nuovo modo ingegnoso e potenzialmente a basso costo potrebbe riuscire a fare i conti con tale surplus in maniera innovativa, si tratta di catturare la CO2 per utilizzarla come uno dei componenti della tecnologia delle batterie al litio del futuro.

Introduzione

Da anni gli scienziati sono alla ricerca di strategie per catturare l'anidride carbonica e stoccarla nel sottosuolo, c’è chi ipotizza di stoccare la CO2 addirittura negli abissi degli oceani. Adesso un nuovo sistema potrebbe aiutare in maniera considerevole la cattura della CO2.

Un gruppo di ricercatori del MIT ha analizzato l'efficienza dal punto di vista energetico dei sistemi convenzionali di cattura e stoccaggio del carbonio (carbon capture and sequestration, CCS) riscontrando che tali sistemi sono certamente in grado di prevenire l'ingresso in atmosfera delle emissioni di anidride carbonica ma solo in cambio di un elevato dispendio di energia.

I sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio sono efficienti dal punto di vista energetico?

Secondo le stime di uno studio del 2014 i sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio utilizzano fino al 30% della capacità di produrre energia delle centrali elettriche, alla fine diversi di questi sistemi riescono a stoccare l'anidride carbonica immagazzinata soltanto in forma solida ma non riescono a riutilizzarla in altro modo.

Una branca separata della ricerca che si occupa della cattura e stoccaggio della CO2 sta guardando a nuovi modi per convertire l'anidride carbonica in altri tipi di materiale che potrebbero essere utilizzati come fonte combustibile; molti ricercatori ritengono che tale strategia sia preferibile alle strategie tradizionali poiché restituisce qualcosa allo stesso tempo (l'anidride carbonica non viene soltanto catturata per restare un materiale inerte).

Realizzato sistema di batterie al litio che "aspira" la CO2 direttamente

In tale filone di ricerca si inserisce il lavoro di un team di ricercatori del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.

Tale gruppo di ricercatori ha realizzato un sistema di batterie basato sul litio che aspira l'anidride carbonica direttamente dalle emissioni che vengono prodotte all'interno di una centrale elettrica convertendo i vapori di scarico in un elettrolita carico di anidride carbonica, l'anidride carbonica diventa così una delle tre parti principali della batteria.

Le batterie a base di anidride carbonica e litio non sono una novità tra gli addetti ai lavori, generalmente richiedono un metallo catalizzatore per funzionare perché l'anidride carbonica non è molto reattiva.

Il problema è rappresentato dal fatto che i catalizzatori possono essere costosi e le reazioni chimiche in gioco possono essere difficili da controllare.  

Per tentare di aggirare questo ostacolo il team condotto dall'ingegnere meccanico Betar Gallant è riuscito ad effettuare la conversione elettrochimica del diossido di carbonio senza utilizzare un catalizzatore metallico usando cioè soltanto un elettrodo di carbonio.

Il fattore chiave che ha permesso la conversione elettrochimica della CO2

Il fattore chiave che ha permesso tale conversione è stato utilizzare l'anidride carbonica in forma liquida incorporandola in una soluzione amminica.

Immagine 2 - nella foto è mostrato un ingrandimento del catodo del prototipo della batteria litio anidride carbonica, nel riquadro a sinistra è possibile vedere la superficie completamente pulita prima delle emissioni e a destra è possibile vedere l'effetto subito dopo la scarica: il materiale a base di carbonio si è formato con le emissioni. Credits: MIT.

«Abbiamo mostrato per la prima volta che questa tecnica è in grado di attivare il diossido di carbonio per ottenere un'elettrochimica più superficiale» scrive Gallant.

«Questi due elettroliti chimici, l'uno basato sulle ammine acquose e l'altro su quelle non acquose vengono normalmente usati insieme ma abbiamo scoperto che la loro combinazione produce nuovi e interessanti comportamenti che possono incrementare la tensione di scarica permettendo contemporaneamente una conversione sostenibile del diossido di carbonio» prosegue il ricercatore.

Le sfide da affrontare

La ricerca è ancora lontana da un uso commerciale della tecnologia ma gli esperimenti mostrano che la tecnica basata sulle ammine è competitiva rispetto ad altri metodi utilizzati per le batterie litio gas, i ricercatori sostengono che esistono ulteriori margini di miglioramento della tecnologia.

Innanzitutto, il sistema di batterie è attualmente limitato a 10 cicli di carica scarica, una forte limitazione che potrebbe venire superata se le batterie litio carbonio venissero utilizzate per scopi importanti.

«Le sfide da affrontare includono lo sviluppo di sistemi con un elevato ricambio delle ammine per avvicinarsi ad un'operatività a ciclo continuo oppure ottenere un ciclo di vita lungo così da incrementare la capacità di tali batterie» sostengono i ricercatori.

Sarà necessario molto tempo prima che questo tipo di tecnologia per le batterie possa essere utilizzata per alimentare oggetti di uso quotidiano.

I ricercatori si stanno progressivamente avvicinando all'obiettivo di aiutare a risolvere uno dei dilemmi ambientali più importanti del nostro periodo storico. La tecnologia sviluppata dai ricercatori potrebbe rivelarsi molto più utile per la vita quotidiana delle persone rispetto alle tecnologie attualmente utilizzate per effettuare soltanto lo stoccaggio dell'anidride carbonica nel sottosuolo.

«Le batterie litio anidride carbonica non verranno realizzate nell'immediato» scrive Gallant, «ma se saremo in grado di convertire l'anidride carbonica in qualcosa di simile ad un componente per una batteria saremo stati in grado di catturarla sotto forma di un prodotto utile».

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Joule.