Materiali e tecnologie per la transizione ecologica: Energia e Mobilità sostenibile
RECUPERO DEI METALLI CRITICI DALLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO
ELISA GALLI, Unità di Ricerca INSTM di Brescia
Le conseguenze della crisi energetica e il cambiamento climatico stanno devastando il pianeta ed è urgente trovare delle soluzioni. Ciò richiede una transizione rapida ed efficace verso nuove forme di produzione, immagazzinamento e trasformazione dell’energia. La transizione energetica porta però con sé nuove problematiche, legate allo sfruttamento delle materie prime critiche. Il progressivo abbandono dei motori termici nei trasporti richiederà un drastico incremento nella produzione delle batterie agli ioni litio. Diverse sono le materie prime critiche coinvolte nella loro produzione tra cui il litio stesso, il cobalto, il nichel e il manganese. L’obiettivo di questa ricerca è di ideare e sviluppare efficienti strategie per il recupero di queste materie prime critiche da dispositivi a fine vita.
ORO NANOPOROSO PER APPLICAZIONI ELETTROCHIMICHE
FEDERICO SCAGLIONE, Unità di Ricerca INSTM di Torino
I materiali metallici nanostrutturati possono rivestire un ruolo di rilievo a supporto della transizione ecologica. Tra questi l’oro nanoporoso (NPG) ha suscitato particolare attenzione grazie alla sua morfologia che conferisce proprietà interessanti nel campo dell'elettrocatalisi. L'oro nanoporoso è costituito da porosità e legamenti, e può essere ottenuto mediante un trattamento chimico o elettrochimico di dissoluzione selettiva degli elementi presenti in una lega, comunemente noto come dealligazione. Durante la dealligazione gli elementi meno nobili della lega vengono dissolti mentre l’elemento più nobile, i.e. l’oro, si aggrega per diffusione superficiale in legamenti. In questa presentazione verranno riportati alcuni esempi di NPG sintetizzato mediante dealligazione di precursori amorfi a base di Au ed impiegati successivamente come elettrodi per la reazione di ossidazione del metanolo, reazione di interesse applicativo nelle celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC), e per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) per la produzione di idrogeno molecolare, un vettore energetico su cui si ripone grande fiducia a livello globale per far fronte alle sfide climatiche.
FILM SOTTILI DI ZIRCONIO INGEGNERIZZATO SU SUBSTRATO DI TITANIO COME CATALIZZATORE PER LO SVILUPPO DI IDROGENO
NICOLA CALISI, Unità di Ricerca INSTM di Firenze
La produzione di idrogeno "green" con un processo in grado essere applicato su larga scala e con un'efficienza che sia tale da renderla economicamente competitiva è una delle sfide più interessanti che la comunità scientifica e la società si troveranno ad affrontare nel prossimo futuro. La reazione di scomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno per via elettrochimica è una delle vie più semplici e a minor impatto ambientale, ma ha costi che rendono l'idrogeno così prodotto economicamente non competitivo con quello proveniente da altre fonti. La produzione avviene mediante l'uso di elettrodi di acciaio inossidabile in soluzioni elettrolitiche sia acide che basiche. Questo sistema richiede l'applicazione di sovratensioni elevate, necessarie allo sviluppo di sufficienti quantità di gas per unità di tempo, e si accompagna a non trascurabili fenomeni dissipativi che ne diminuiscono l'efficienza energetica. Oltre a questo, la scarsa stabilità dell'acciaio nell'ambiente elettrolitico ne limita il tempo di vita, aumentandone ulteriormente i costi di produzione. In questa ricerca proponiamo la sostituzione dell'acciaio con il titanio, materiale notevolmente più resistente in ambienti aggressivi. La maggiore resistenza alla corrosione si accompagna però a una ridotta produzione di idrogeno, che richiede l'identificazione di strategie atte ad un suo incremento. Per ovviare a questo problema, e rendere competitivo il processo, sono stati sviluppati dei rivestimenti sottili di zirconio ingegnerizzato, depositate da fase vapore, che agiscano da catalizzatore nella reazione di dissociazione dell'acqua. I risultati finali hanno dimostrato l'effettiva possibilità di utilizzare questi elettrodi per la produzione industriale di idrogeno, portando alla misurazione di correnti più elevate, direttamente correlabili ad una maggiore produzione di idrogeno.
IDRURI FANTASTICI E DOVE USARLI
ERIKA MICHELA DEMATTEIS, Unità di Ricerca INSTM di Torino
Lo sviluppo di materiali sostenibili ed efficienti è oggi l’obiettivo principale per perseguire un futuro energetico più verde e sostenibile. I molteplici utilizzi degli idruri in campo energetico dimostrano quanto siano importanti le attività pionieristiche e di ricerca di base. Verrà presentato lo sviluppo di leghe economiche e ottimizzate come materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido nell'ambito del progetto HyCARE, per mostrare come personalizzare e sviluppare materiali dalla scala di laboratorio fino a un prototipo finale di stoccaggio di energia rinnovabile su larga scala. e mostrare come sviluppare e integrare idruri metallici, materiali a cambiamento di fase e la loro produzione industriale. Successivamente verrà presentato come gli idruri possono catturare e rilasciare idrogeno puro da un flusso contaminato proveniente dal trattamento delle biomasse. Si presenteranno risultati preliminari dello studio della termodinamica degli idruri metallici tramite tecniche di machine learning, per sviluppare un ampio database e prevedere proprietà di interesse. Ed infine si presenterà lo studio di elettroliti, realizzati miscelando idruri complessi e alogenuri metallici, come nuovi materiali per batterie allo stato solido.
RISCALDAMENTO DELLA BLACK MASS E SIMULAZIONE DEL PROCESSO
MATTEO SCAGLIA, Unità di Ricerca INSTM di Brescia
In questa presentazione vengono illustrati i trattamenti effettuati sulle batterie agli ioni di Litio in modo da recuperare i metalli preziosi. Tra questi trattamenti, viene analizzato in maniera più dettagliata il riscaldamento della polvere ottenuta dalle batterie, chiamata Black mass, dando delle soluzioni indirizzate alla minimizzazione dell'energia utilizzata. Mentre nella seconda parte, viene presentato l'utilizzo del software di simulazione Comsol per questo tipo di problema, che permette lo studio del trasferimento del calore all'interno di corpi tridimensionali.
UNA NUOVA FRONTIERA PER L'ENERGY STORAGE: REDOX FLOW BATTERY
MARIA VIVIANA SCOPELLITI, Unità di Ricerca INSTM di Brescia
Fino ad ora, le principali fonti di energia utilizzate sono state prevalentemente non rinnovabili. Oltre a essere limitate nella disponibilità, queste fonti causano gravi inquinamenti ambientali. Per affrontare queste sfide, sono state sviluppate tecnologie volte alla produzione sostenibile di energia. Attualmente, le fonti di energia più ampiamente adottate sono l'energia eolica e solare, ma soffrono della limitazione della generazione intermittente. Per superare questa limitazione, sono stati sviluppati sistemi di accumulo di energia per immagazzinare l'energia generata e rilasciarla nella rete quando necessario. Tra le varie tecnologie di accumulo, le Batterie a Flusso Redox (RFBs) hanno suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica per la loro capacità di immagazzinare energia su larga scala. Le RFBs si distinguono per un design innovativo che utilizza materiali attivi disciolti in elettroliti liquidi contenuti in serbatoi separati. La conversione dell'energia elettrochimica avviene all'interno delle celle elettrodiche. Le RFB offrono diversi vantaggi, tra cui flessibilità nell'adattarsi la capacità energetica e la potenza, lunga durata della batteria e tempi di ricarica veloci.