Quella strana terra rara che ha le chiavi per stoccare energia solare

La comprensione del motivo per cui le batterie di flusso che utilizzano il cerio metallico in un elettrolita di acido solforico hanno una tensione insufficiente, potrebbe aprire la strada a una migliore chimica delle batterie.

Quella strana terra rara che ha le chiavi per stoccare energia solare

Raro e strano. Il cerio, uno dei 17 elementi delle terre rare, continua a sorprendere per alcune sue proprietà inspiegabili, ma che potrebbero aiutare i ricercatori a raggiungere nuovi progressi scientifici.

Prendiamo il caso delle batterie di flusso che utilizzano il cerio metallico in un elettrolita di acido solforico. Il problema di questo tipo di batterie è la tensione insufficiente.

Innanzitutto, le batterie di flusso sono batterie con il fluido elettrolitico in serbatoi esterni, che possono immagazzinare grandi quantità di energia e perciò ideali per lo stoccaggio di fonti intermittenti di elettricità rinnovabile, come l’energia solare e quella eolica.

Più energia e a basso costo

Dal canto suo il cerio metallico potrebbe immagazzinare energia ad un voltaggio relativamente alto, il che significa più energia per ione metallico e a basso costo. Tuttavia, una delle sfide irrisolte con il cerio è capire come trasferire in modo efficiente le cariche elettriche da e verso l’elettrodo. Nel suo percorso attraverso l’elettrodo positivo, il cerio raccoglie o rilascia un elettrone, a seconda che la batteria si stia caricando o scaricando.

Il cerio in un elettrolita di acido solforico non preleva e rilascia l’elettrone con la rapidità prevista, il che significa che l’energia viene sprecata. Si è scoperto che le molecole d’acqua e le molecole di solfato fanno una danza complicata attorno al cerio e così si perde energia.

Come si comportano gli ioni di cerio?

E qui entra in gioco un team di ricercatori dell’Università del Michigan (Stati Uniti) che stanno cercando di capire come si comportano gli ioni di cerio negli elettroliti acidi durante il trasferimento di carica. Questa comprensione aiuterà gli ingegneri a progettare batterie a base di cerio più efficienti, con una minore perdita di tensione durante la carica e la scarica.

Quello che hanno scoperto fino ad ora i ricercatori americani è che quando il cerio è corto di tre elettroni, è circondato solo da molecole d’acqua, mentre quando si arrende a quel quarto elettrone, gli ioni solfato o bisolfato pendono dallo ione cerio. Di conseguenza, quando viene ossidato togliendo quell’elettrone o lo riduciamo restituendo l’elettrone, deve avvenire un trasferimento di elettroni e le molecole attorno ad esso devono riorganizzarsi.

Si aprono nuove strade per lo stoccaggio di energia di rete

La complessazione irregolare tra le forme ossidate e ridotte del cerio provoca un rallentamento della velocità di reazione e questa conoscenza plasmerà le strategie di progettazione degli elettroliti per il cerio o altre batterie a flusso simili.

La conclusione di questi studi è che si aprono nuove strade nello stoccaggio di energia su scala industriale ma non solo… Questa scoperta potrebbe migliorare anche altri processi chimici che si basano sul cerio, come la produzione di prodotti a base di carbonio e la decontaminazione delle acque reflue.

L’intero lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla rivista JACS Au, dell’American Chemical Society.

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