Batterie a Idrogeno Che Funzionano al Freddo

Una volta viste come semplici fonti di energia, le batterie oggi occupano il cuore della trasformazione energetica pulita del mondo come una delle tecnologie a più rapida crescita che stanno plasmando il nostro futuro.

Tra i tipi di batterie, le batterie al litio‑ionico sono la scelta preferita per alimentare tutto, dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici (EV).

Le batterie Li‑ion sono apparse commercialmente all’inizio degli anni ’90, ma la domanda per esse è cresciuta esponenzialmente nell’ultimo decennio, passando da appena 0,5 gigawattora (GWh) nel 2010 a circa 526 GWh dieci anni dopo.

Un calo quasi del 90% dei costi delle batterie al litio‑ionico, da circa $1.400 per kWh nel 2010 a $140 per kWh nel 2023, combinato con progressi nella densità energetica e nella durata dei cicli, ha rafforzato il loro dominio nelle applicazioni di veicoli elettrici e stoccaggio di energia.

Un grosso problema delle batterie ricaricabili, come le celle al litio‑ionico, è però che non tollerano il freddo.

Perché le Batterie Falliscono al Freddo (e Come gli Ingegneri le Risolvono)

Le batterie funzionano male in condizioni fredde. Questo è dovuto alle loro reazioni elettrochimiche interne che rallentano a temperature sotto zero.

La maggior parte delle batterie ha tre componenti principali:

• Elettrodi
• Elettrolita
• Separatore

Ci sono due elettrodi in una batteria, e entrambi sono realizzati con materiali conduttivi. Un elettrodo, noto come catodo, è collegato all’estremità positiva della batteria, e qui la corrente elettrica lascia la batteria durante la scarica. L’altro elettrodo, noto come anodo, è collegato all’estremità negativa della batteria, e qui la corrente elettrica entra nella batteria durante la scarica. 

I due sono tenuti separati utilizzando il separatore per prevenire un cortocircuito. Tra questi elettrodi c’è un elettrolita liquido, che contiene particelle cariche elettricamente, o ioni. Combinandosi con i materiali che costituiscono gli elettrodi, l’elettrolita produce reazioni chimiche che consentono a una batteria di generare una corrente elettrica.

Nel caso delle batterie Li‑ion, l’elettrolita è tipicamente un sale di litio in soluzione che trasferisce particelle cariche (ioni) tra gli elettrodi della batteria. Ma quando fa freddo, gli ioni rallentano e non riescono a interagire correttamente con gli elettrodi, influenzando così la capacità della batteria di generare corrente prima di esaurirsi. 

Inoltre, se troppo litio si deposita su un elettrodo, può provocare un cortocircuito e causare un incendio.

Quindi, il clima freddo influisce gravemente sulla vita della batteria. Sia l’efficienza sia la capacità utilizzabile di una batteria sono ridotte in modo significativo. Un sondaggio AAA dell’anno scorso ha mostrato che la diminuzione dell’autonomia durante l’inverno e le preoccupazioni per la ricarica più lenta hanno contribuito al rallentamento del momentum degli EV.

Per superare questo problema, le aziende di tutto il mondo hanno lavorato su nuove e migliori chimiche di batteria. 

Ad esempio, il gigante cinese delle batterie CATL ha annunciato la seconda generazione della sua batteria al sodio‑ionico, che può scaricare a temperature fino a meno 40 gradi Celsius e presenta misure di sicurezza migliorate, puntando a superare i 200 wattora per chilogrammo in densità energetica. 

Mentre le batterie al sodio‑ionico sono ritenute più sicure e più resistenti al freddo rispetto alle batterie Li‑ion, hanno una densità energetica inferiore e costi di produzione più alti.

Nel frattempo, gli ingegneri dell’Università del Michigan hanno sviluppato un processo di fabbricazione modificato¹ per le batterie EV per consentire ampie autonomie e ricariche rapide in condizioni di freddo.

Il team ha creato percorsi di 50 micrometri nell’anodo e ha applicato un rivestimento spesso 20 nm di un materiale vetroso a base di litio borato‑carbonato per prevenire la formazione di placcatura di litio sugli elettrodi della batteria. Le batterie EV Li‑ion realizzate con queste modifiche possono ricaricare il 500% più velocemente a 14 °F (-10 °C) e mantengono il 97% della loro capacità anche dopo 100 cicli di ricarica rapida a tali temperature fredde.

“Per la prima volta, abbiamo mostrato una via per ottenere simultaneamente una ricarica estremamente rapida a basse temperature, senza sacrificare la densità energetica della batteria al litio‑ionico.”

– Co‑autore Neil Dasgupta, professore associato di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali dell’U‑M

Altri stanno ottimizzando le formulazioni dell’elettrolita e modificando i materiali dell’anodo, costruendo tecnologie di batteria specializzate, incorporando isolamento più spesso con riscaldatori integrati, proponendo ricariche intelligenti a controllo di temperatura², e presentando un algoritmo di controllo predittivo³ per regolare la temperatura della batteria, tra le altre soluzioni.

Nel mezzo di questi continui progressi in materiali, elettroliti e altre tecnologie per affrontare le sfide delle batterie in condizioni di freddo, gli scienziati stanno anche esplorando sistemi di stoccaggio energetico alternativi come le batterie a base di idrogeno.

Batterie a Idrogeno: Come Funzionano e Perché Sono Importanti

L’idrogeno è una fonte di energia pulita che, quando consumata in una cella a combustibile, produce solo acqua. È un vettore energetico che può immagazzinare e fornire energia generata da altre fonti.

Il più abbondante elemento chimico dell’universo, l’idrogeno può essere prodotto dal gas naturale, dalla biomassa e dall’energia nucleare, così come da fonti rinnovabili come vento e sole.

Questo gas incolore, inodore e altamente infiammabile è anche un componente chiave dell’acqua e di tutti i composti organici.
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L’idrogeno è in realtà un componente chiave del Sole. viene convertito in energia attraverso il processo di fusione nucleare nel suo nucleo. Sotto immensa pressione e calore, gli atomi di idrogeno si fondono per formare elio, rilasciando enormi quantità di energia. Questa energia poi viaggia verso l’esterno attraverso gli strati del Sole e si irradia nello spazio come luce e calore. 

Sulla Terra, l’idrogeno è un’opzione di carburante attraente e offre una durata della batteria maggiore rispetto alle batterie al litio‑ionico. 

Per valutare le prestazioni tecniche e finanziarie di un sistema di stoccaggio a batteria di idrogeno e di una batteria al litio‑ionico, i ricercatori dell’Università del New South Wales (UNSW) hanno valutato⁴ due sistemi commerciali disponibili, LAVO e Tesla Powerwall 2. Hanno scoperto che il primo presenta maggiori perdite di energia. 

Tuttavia, le batterie a idrogeno sono risultate avere meno degrado di capacità e una densità energetica più alta rispetto alle batterie al litio‑ionico, permettendo loro di immagazzinare più energia per una durata più lunga. La loro capacità di sopportare il 18% in più di cicli di carica‑scarica rispetto alla batteria Li‑ion le rende “adatte per applicazioni remote che richiedono una durata prolungata di stoccaggio energetico”.

Uno studio separato dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) ha sviluppato un nuovo sistema di batteria chimica⁵ per un futuro più sicuro e sostenibile per i sistemi alimentati a batteria.

Mentre le attuali batterie a base di idrogeno usano H₂ come catodo, il che limita la loro gamma di tensione e capacità di stoccaggio, il team di ricerca USTC ha proposto di utilizzarlo come anodo. Il team ha sviluppato un prototipo, con anodo di litio, elettrolita solido e uno strato di diffusione di gas rivestito in platino che funge da catodo di idrogeno.

Il team riporta un’energia specifica teorica fino a 2.825 Wh/kg, una scarica di ~3 V e un’efficienza di round‑trip del 99,7 % nella loro configurazione Li‑H — indicando un forte potenziale, sebbene il valore di 2.825 Wh/kg non sia una misura realizzata a livello di pacco.

Per migliorarne la convenienza, il team ha costruito una batteria Li‑H senza anodo. Qui, la deposizione di litio è stata ottenuta da sali di litio durante la carica. La versione migliorata consente una placcatura e una rimozione del litio efficienti e funziona stabilmente anche a basse concentrazioni di idrogeno, riducendo così la dipendenza dallo stoccaggio di idrogeno ad alta pressione.

Rispetto alle tradizionali batterie nichel‑idrogeno, il sistema Li‑H offre una densità energetica e un’efficienza migliorate, aprendo la strada a future esplorazioni nelle applicazioni della tecnologia delle batterie Li‑H.

Nonostante i numerosi vantaggi dell’idrogeno per lo stoccaggio energetico pulito, immagazzinarlo non è facile. Infatti, lo stoccaggio è una sfida importante nell’uso dell’idrogeno.

L’Elettrolita di Idruro Ba–Ca–Na che Sblocca lo Stoccaggio di Idrogeno a Bassa Temperatura

Immagazzinare l’idrogeno richiede temperature estremamente basse (−252,8 °C) o pressioni elevate (350‑700 bar), o entrambi. Stoccarlo in stato solido evita i rischi di sicurezza associati ai serbatoi di gas ad alta pressione, ma incontra limitazioni materiali a basse temperature.

Per affrontare ciò, i ricercatori dell’Istituto di Scienza di Tokyo (Science Tokyo) hanno esplorato lo stoccaggio elettrochimico di idrogeno mediato da ioni idruro, il che li ha portati a scoprire un promettente elettrolita solido conduttore di ioni idruro⁶ da un sistema di idruro di bario, calcio e sodio.

La combinazione di ioni di dimensioni diverse è stata segnalata per avere una superconduttività ionica, e nella ricerca di ciò i ricercatori hanno deciso di combinare i loro ioni: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

L’elettrolita solido risultante, di tipo anti‑α‑AgI Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, ha una stabilità elettrochimica eccellente e una conduttività di ioni idruro (H⁻). 

È notevole che la stabilità elettrochimica consenta effettivamente un accoppiamento flessibile con molti elettrodi metal‑idruro. Quindi, l’elettrolita funziona bene con diversi elettrodi metal‑idrogeno, come l’idruro di titanio e l’idruro di magnesio (MgH₂), permettendo uno stoccaggio di idrogeno ad alta capacità e reversibile a basse temperature.

Nei primi esperimenti, i ricercatori hanno testato il loro elettrolita in un sistema in cui è stato posizionato tra TiH₂ (idruro di titanio, un composto di titanio e idrogeno) e elettrodi di riferimento in titanio, insieme a conduttori di acetilene nero e molibdeno. 

Ciò ha permesso ai ricercatori di trovare la finestra di potenziale stabile dell’elettrolita solido, la migliore mai segnalata.

È stata anche segnalata una alta conduttività di H⁻ da parte dei ricercatori, dovuta alla struttura cubica a corpo centrato (bcc) dell’elettrolita. Questa struttura ha una densità di impacchettamento inferiore, che fornisce “un percorso aperto per il trasporto ionico”. Cationi altamente polarizzabili nel reticolo hanno anche contribuito all’alta conduttività ionica.

Poi, per testare le capacità di stoccaggio di idrogeno dei loro elettroliti, i ricercatori hanno prodotto una cella usando MgH₂.

MgH₂ è un composto chimico studiato per lo stoccaggio di idrogeno grazie alla sua alta capacità e basso costo. Questo materiale può essere integrato in un sistema simile a una batteria dove l’idrogeno è immagazzinato e rilasciato durante la carica e la scarica. Tuttavia, il suo utilizzo è stato limitato da reazioni collaterali indesiderate, scarsa assorbimento e desorbimento di idrogeno, e dalla necessità di temperature elevate di 300 °C o più.

Ma i ricercatori sono riusciti a far funzionare celle Mg‑H₂ come dispositivi di stoccaggio di idrogeno, dimostrando una capacità di 2.030 mAh/g a 90 °C.

Da 300–400 °C a ~90 °C: Una Batteria a Idrogeno a Bassa Temperatura Pratica

La nuova batteria a idrogeno dei ricercatori di Science Tokyo ha superato i limiti di bassa capacità e alta temperatura dei metodi precedenti. Invece di operare a temperature di 300‑400 °C (572‑752 °F), necessarie per gli attuali approcci di stoccaggio di idrogeno allo stato solido, questa batteria opera a 90 °C (194 °F).

La batteria funziona facendo migrare ioni idruro attraverso un elettrolita solido, consentendo all’idruro di magnesio (MgH₂) di immagazzinare e rilasciare idrogeno ripetutamente a capacità piena.

Con questo sviluppo, i ricercatori offrono un modo pratico per immagazzinare il combustibile idrogeno, aprendo la strada a veicoli a idrogeno e sistemi di energia pulita.

“Abbiamo dimostrato il funzionamento di una batteria Mg‑H₂ come dispositivo di stoccaggio di energia a idrogeno sicuro ed efficiente, raggiungendo alta capacità, bassa temperatura e assorbimento e rilascio reversibili del gas idrogeno.”

– Prof. Assistente Naoki Matsui

Mentre le batterie a idrogeno con componenti allo stato solido esistono già, richiedono temperature operative elevate. La nuova batteria a idrogeno, tuttavia, può raggiungere la capacità teorica completa dell’anodo MgH₂ e un’alta conduttività ionica a temperatura ambiente. Ciò è dovuto all’elettrolita solido, Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Realizzato con bario (Ba), calcio (Ca) e idruro di sodio (NaH), l’elettrolita può muovere gli ioni idruro (H⁻) in modo efficiente.

Ha una struttura cristallina (tipo anti‑α‑AgI), nota per la sua superconduttività ionica. In questa struttura, Ba, Ca e Na occupano posizioni a corpo centrato, mentre gli ioni idruro si muovono attraverso siti octaedrici e tetraedrici condivisi, consentendo la loro migrazione libera. 

Questa nuova batteria funziona come una Li‑Ion, ma invece di spostare ioni carichi positivamente attraverso l’elettrolita, utilizza ioni idruro che trasportano una carica negativa e possono attraversare la sua struttura cristallina.

La batteria utilizza idruro di magnesio (MgH₂) come anodo e gas idrogeno (H₂) come catodo. 

Durante la carica, l’anodo MgH₂ rilascia ioni idruro, che migrano attraverso il nuovo elettrolita verso il catodo, dove vengono ossidati per rilasciare gas idrogeno.

Il processo si inverte durante la scarica, il gas idrogeno al catodo viene ridotto a ioni idruro, attraverso una reazione chimica, che si sposta attraverso l’elettrolita verso l’anodo, dove reagisce con Mg per formare MgH₂. La reazione di ossido‑riduzione (redox) fa sì che l’anodo carico negativamente perda elettroni, i quali fluiscono attraverso un circuito esterno verso il catodo con carica netta positiva, fornendo così energia ai sistemi collegati.

Ciò consente alla cella allo stato solido di immagazzinare e anche rilasciare H₂ quando necessario a temperature appena sotto il punto di ebollizione dell’acqua.

Utilizzando questa cella, i ricercatori hanno raggiunto la capacità teorica completa di MgH₂ su cicli ripetuti. La capacità di 2.030 mAh per grammo è molto più alta di quella delle batterie al litio‑ionico, che si situa tra 154 e 203 mAh per grammo.

“Queste proprietà della nostra batteria di stoccaggio di idrogeno erano precedentemente irraggiungibili con metodi termici convenzionali o elettroliti liquidi, offrendo una base per sistemi di stoccaggio di idrogeno efficienti adatti all’uso come vettori energetici.”

– Takashi Hirose, autore principale dello studio e professore associato all’Institute of Chemical Research (ICR) dell’Università di Kyoto

Mentre la batteria non è ancora pronta per l’uso nei nostri oggetti quotidiani, questo è un progresso nello stoccaggio di energia a idrogeno a temperature molto più basse rispetto a quelle precedenti, aprendo la strada a un’immagazzinamento più efficiente e più semplice dell’idrogeno.

Ciò può portare le batterie a idrogeno a sostituire le pesanti batterie al litio‑ionico, che si degradano e vedono ridotta l’efficienza nel tempo, nelle auto elettriche.

Inoltre, consentendo lo stoccaggio di idrogeno senza la necessità di sistemi ad alta pressione, raffreddamento estremo o temperature operative elevate, questo nuovo design di batteria può supportare l’uso dell’idrogeno come fonte di energia verde e accelerare la transizione in corso verso l’energia verde.

I ricercatori ora pianificano di sviluppare elettroliti solidi e materiali di elettrodi con maggiore conduttività ionica. Lavoreranno anche su design di dispositivi con temperature operative più basse e migliore efficienza energetica.

Investire nella Tecnologia delle Batterie a Idrogeno

Bloom Energy Corporation (BE ) è impegnata nella progettazione e nella produzione di celle a combustibile a ossido solido (SOFC). Il suo sistema a celle a combustibile fornisce generazione di elettricità in loco per la produzione di semiconduttori, data center, grandi utility e altri settori. Ha distribuito un totale di 1,5 GW di potenza in più di 1.200 installazioni a livello globale. 

L’azienda ha due prodotti: il Bloom Electrolyzer per la produzione di idrogeno e il Bloom Energy Server per la generazione di elettricità.

Per quanto riguarda le performance di mercato di Bloom, ha goduto di un massiccio rally quest’anno. Con un +391 % YTD, le azioni BE hanno raggiunto un massimo storico (ATH) di $125,75 proprio questo mese. Con ciò, ha un EPS (TTM) di 0,11 e un P/E (TTM) di 1.013,28.

Per quanto riguarda la posizione finanziaria dell’azienda, Bloom ha riportato un fatturato di $401,2 milioni per il Q2 del 2025, in crescita del 19,5 % rispetto allo stesso trimestre dell’anno scorso. Il suo margine lordo era del 26,7 % e il margine lordo non‑GAAP era del 28,2 % mentre la perdita operativa è stata di $3,5 milioni in questo periodo.

“Man mano che l’energia in loco diventa sempre più evidente, data la rapida crescita dell’IA, non c’è mai stato un richiamo di mercato migliore per i prodotti Bloom. A differenza delle alternative, i nostri prodotti sono progettati appositamente per la rivoluzione digitale.”

– Fondatore e CEO KR Sridhar

Dopo aver collaborato con Oracle per fornire energia in loco ai suoi data center IA, Bloom Energy ha ora stretto una partnership con Brookfield (NYSE: BAM), che investirà fino a $5 miliardi per distribuire la sua tecnologia a celle a combustibile. Insieme, i due stanno “creando un nuovo modello per alimentare l’IA su larga scala”.

Ultime Notizie e Sviluppi delle Azioni di Bloom Energy Corporation (BE)

Conclusione

Con la loro alta efficienza energetica, alta densità energetica e lunga vita ciclica, le batterie al litio‑ionico sono diventate una scelta popolare per i veicoli elettrici così come per lo stoccaggio di energia. Ma, naturalmente, il clima freddo rappresenta una grande sfida per queste batterie, provocando una diminuzione della loro capacità e efficienza. 

Mentre scienziati e aziende di tutto il mondo avanzano verso progetti di batterie di nuova generazione, l’idrogeno sta guadagnando terreno come vettore energetico e carburante del futuro.

La nuova batteria a idrogeno con elettrolita solido segna una pietra miliare per la sua capacità di immagazzinare e rilasciare idrogeno a temperature estremamente basse, quattro volte più fredde rispetto ai modelli precedenti. Abilitando un funzionamento stabile e la capacità teorica completa, questa svolta potrebbe consentire la creazione di batterie più dense e durature per i veicoli elettrici, migliorando significativamente le loro prestazioni in climi estremi.

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Riferimenti:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Abilitare la ricarica rapida 6C delle batterie Li‑ion a temperature sotto zero tramite ingegneria delle interfacce e architetture 3D. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Ricarica Intelligente a Controllo di Temperatura per Veicoli Elettrici in Climi Freddi. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Ricarica Rapida Ottimale Integrata e Gestione Termica Attiva delle Batterie al Litio‑Ion in Temperature Ambientali Estreme. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Valutazione delle batterie a idrogeno e al litio‑ionico nei sistemi fotovoltaici solari sui tetti. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Batterie a gas ricaricabili litio‑idrogeno. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Stoccaggio di idrogeno ad alta capacità e reversibile usando elettroliti solidi conduttori di H⁻. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996