Un team di ricerca coordinato dall’Università di Trieste ha condotto uno studio su un materiale innovativo, essenziale per il funzionamento delle batterie metallo-aria. Queste ultime sono una tipologia di batterie ricaricabili che potrebbe sostituire quelle al litio sia per applicazioni mobili che stanziali, con vantaggi in termini di taglia e capacità delle batterie, sicurezza, costi e compatibilità ambientale. Al momento, però, vi sono diversi limiti che ne frenano lo sviluppo.
Le batterie ricaricabili, in generale, rappresentano una prospettiva promettente per accumulare l’energia da fonti rinnovabili, ma le attuali tecnologie sono caratterizzate da limiti legati a materiali, costi, capacità, vita media e velocità di ricarica. Le batterie ricaricabili basate sugli ioni di litio, per esempio, sono molto inquinanti e costose, non hanno lunga durata e hanno tempi di ricarica molto lunghi. La versione metallo-aria, invece, consiste in due elettrodi, un anodo metallico e un catodo poroso che letteralmente “respira” l’aria, “inspirando” ed “espirando” ossigeno nel ciclo di scarica e carica. I due elettrodi sono separati da un elettrolita, il mezzo attraverso cui scorrono gli ioni carichi, che può essere solido o liquido; questa soluzione, basata su materiali grazie ai quali la batteria “respira” l’ossigeno a zero impatto, è già stata impiegata in passato e permette di raggiungere una densità di energia maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio.
Per renderla realmente efficiente, tuttavia, sono necessari materiali molto particolari sugli elettrodi, detti bifunzionali, ovvero in grado di catalizzare reazioni chimiche opposte in fase di carica e scarica.
Il materiale innovativo oggetto dello studio rappresenta un ottimo candidato per gli elettrodi in questione: si tratta, infatti, di un materiale bidimensionale biomimetico, sintetizzato ad hoc copiando le caratteristiche fondamentali di struttura geometrica, struttura elettronica e funzionalità di sistemi presenti in natura.
Sfruttando una combinazione di tecniche sperimentali uniche, abbinate a simulazioni teoriche, i ricercatori sono riusciti a osservare direttamente e a descrivere il “complesso chiave” della reazione di riduzione dell’ossigeno (Oxygen Reduction Reaction – ORR), svelando il ruolo dell’acqua in qualità di solvente che partecipa direttamente e attivamente alla reazione chimica, governando il trasferimento di carica e di energia.
Si tratta di uno studio fondamentale, eseguito in ambiente controllato e su materiali modello, ma che ha prodotto dei risultati che rappresentano un importante avanzamento nella comprensione dei meccanismi di strategica importanza per lo sviluppo tecnologico futuro di nuove famiglie di batterie ricaricabili.
In particolare, i materiali metallorganici biomimetici risultano estremamente stabili da un punto di vista chimico e permettono potenzialmente l’embedding di una bifunzionalità (attività per la carica e scarica della batteria) in un unico materiale monofasico.
