Le Celle a Combustibile Sodio-Aria Avvicinano il Volo Alimentato da Batterie alla Realtà

Ricercatori del MIT e di altre istituzioni finanziarie hanno presentato un design di cella a combustibile sodio-aria in grado di alimentare gli aeromobili. Il concetto rivoluzionario offre una maggiore densità energetica catturando naturalmente l’anidride carbonica atmosferica. Ecco come le celle a combustibile sodio-aria potrebbero rivoluzionare i viaggi aerei negli anni a venire.

Sfide delle Batterie nell’Aviazione

Mentre i veicoli elettrici continuano a diventare la norma, il settore dell’aviazione non ha registrato una crescita simile. Esistono alcune opzioni, ma sono velivoli personali, limitati a pochi passeggeri. La ragione principale di questa mancanza di crescita è che la tecnologia delle batterie non ha ancora soddisfatto i criteri necessari per alimentare gli aerei commerciali. Le batterie al litio‑ion attuali sono pesanti e la quantità necessaria per alimentare un aereo richiede troppe celle per funzionare.

Il Divario di Potenza nell’Aviazione Elettrica

Per ottenere il volo alimentato a batteria, gli ingegneri devono portare le attuali batterie al litio‑ion dei veicoli elettrici da 300 watt‑ora per chilogrammo a 1.000 watt‑ora per chilogrammo. Triplicare la densità di potenza delle batterie al litio‑ion non è possibile, ma stanno emergendo altre opzioni.

Batterie Metallo-Aria: Alta Energia, Bassa Ricaricabilità

Le batterie metallo‑aria, come quelle al litio‑aria o sodio‑aria, sono state studiate approfonditamente negli ultimi decenni. Possiedono una maggiore densità, ma presentano anche seri problemi di ricarica. La reazione chimica delle batterie alcaline metallo‑aria genera prodotti di scarica solidi, difficili da rimuovere, rendendo le unità obsolete dopo pochi cicli. Fortunatamente, questo scenario potrebbe cambiare.

La Scoperta della Cella a Combustibile Sodio-Aria

Ricercatori del MIT, insieme a scienziati di diverse istituzioni, hanno introdotto una tecnologia di cella a combustibile a metallo di sodio che potrebbe contribuire ad alleviare i problemi precedenti e inaugurare una nuova era di energia portatile pulita.
Lo studio Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power pubblicato sulla rivista Joule, approfondisce una cella a combustibile liquida di sodio‑aria appositamente progettata. La cella integra una membrana elettrolitica solida che consente alla batteria di regolare l’umidità e il flusso d’aria per migliorare le prestazioni.

Come le Celle a Combustibile Sodio-Aria Differiscono dalle Batterie Tradizionali

Una cella a combustibile funziona come una batteria, con la differenza principale che il materiale che produce energia viene sostituito. Questo design è ideale per i viaggi perché elimina la necessità di ricaricare. Invece, le batterie vengono rifornite.
L’elettrodo usato viene poi inviato in fabbrica per essere lavorato, riempito nuovamente e rimandato in uso. In questo caso si utilizza il sodio. Ha un punto di fusione basso di 98 °C, rendendolo ideale per un rifornimento a basso costo.

All’interno del Design della Cella a Combustibile Sodio-Aria

La cella a combustibile sodio‑aria utilizza sodio metallico liquido comune ed economico posizionato su un lato dell’unità. sull’altro lato c’è una camera di aria aperta. Tra i due strati vi è un elettrolita. L’elettrolita ha una struttura porosa sul lato a contatto con l’aria, che consente agli ioni di sodio di passare liberamente e reagire con l’O₂, generando elettricità.

Prototipi e Design della Cartuccia della Cella a Combustibile

Gli ingegneri hanno creato due prototipi testabili. Entrambe le versioni hanno impiegato lo stesso approccio per produrre energia. Tuttavia, una è stata progettata per essere posizionata orizzontalmente. Entrambe hanno utilizzato una cartuccia ricaricabile riempita con sodio metallico liquido e poi sigillata.

Fonte – Joule

Design della H‑Cell: Come Funziona

Il prototipo H‑cell assomigliava alla lettera H, con due tubi di vetro verticali collegati da un tubo centrale riempito di elettrolita solido. Il tubo centrale utilizza un materiale elettrolitico ceramico e un elettrodo d’aria poroso per creare una reazione elettrochimica tra il sodio metallico liquido e l’ossigeno, consumando il combustibile di sodio. Il secondo design è simile alla H, ma la base è stata modificata. Questa configurazione utilizza un vassoio di materiale elettrolitico che si posiziona sopra un elettrodo d’aria poroso.

Curiosamente, il sottoprodotto di queste reazioni si combina con l’aria ambientale per creare carbonato di sodio. Attraverso diverse altre reazioni chimiche naturali, le emissioni diventano bicarbonato di sodio, noto anche come soda da cucina.

Questo bicarbonato di sodio è benefico per l’ambiente. Quando viene aggiunto agli oceani, può contribuire a deacidificare l’acqua, aggiungendo un ulteriore strato di potere pulente al design della cella a combustibile.

Il Ruolo dell’Umidità nell’Efficienza della Cella a Combustibile

Una scoperta chiave che i ricercatori hanno trovato sorprendente è stato l’effetto complessivo dell’umidità nel processo. Gli ingegneri hanno osservato che la quantità di umidità nell’aria ha un impatto significativo sulla reazione elettrochimica.
Hanno notato che l’umidità era utile perché generava una scarica di sodio in forma liquida. Questa scoperta ha permesso di eliminare i rifiuti solidi delle batterie, molto più difficili da rimuovere per le operazioni di rifornimento. Il residuo liquido può essere facilmente espulso usando aria pressurizzata, riducendo i costi.

Test della Cella a Combustibile Sodio-Aria

Gli ingegneri hanno condotto diversi test per verificare le loro teorie. Hanno utilizzato flussi d’aria precisi e umidità controllata per valutare diversi approcci e ottimizzare le prestazioni. I risultati dei test sono stati sorprendenti, con il nuovo design della cella a combustibile che supera tutti i precedenti design di batterie.

Risultati: 3X Densità Energetica rispetto al Litio‑Ion

Gli ingegneri erano entusiasti di vedere la loro creazione superare le batterie tradizionali di oltre 3 volte. Hanno registrato una densità energetica a livello di stack di 1.200 Wh/kg a 80 mA/cm². Questa prestazione richiedeva solo uno spessore di 2,3 cm di sodio metallico per mantenere un funzionamento continuo.

Vantaggi delle Celle a Combustibile Sodio-Aria

Numerosi vantaggi rendono le batterie sodio‑aria un forte concorrente per le applicazioni future. Innanzitutto, hanno costi molto più bassi. Le batterie al litio‑ion sono costose da produrre e sono pesanti. Inoltre, generano molti rifiuti. L’uso del sodio metallico è molto più economico. Inoltre, gli Stati Uniti hanno una lunga storia nella produzione di massa di questo materiale, poiché è usato come additivo nel tetraetile di piombo.

Vantaggi della Densità Energetica

La batteria sodio‑aria offre 3 volte il rapporto peso‑potenza rispetto ai tradizionali sistemi al litio‑ion. Questa maggiore densità di potenza apre la porta al loro utilizzo in applicazioni sensibili al peso. L’energia aggiuntiva significa anche che le batterie possono essere realizzate più piccole e più conformi alle esigenze dei futuri progettisti.

Migliorata Sicurezza rispetto al Litio‑Ion

Un altro vantaggio delle batterie sodio‑aria è che sono molto più sicure delle batterie al litio‑ion. Internet è pieno di storie di batterie al litio‑ion che prendono fuoco ed esplodono a causa del runaway termico. Le batterie sodio‑aria hanno un rischio molto minore di runaway termico, principalmente perché un lato è riempito solo d’aria, a differenza di altri design che richiedono due reagenti.

Benefici Ambientali e Sottoprodotti di Pulizia dell’Aria

Uno dei principali benefici delle batterie sodio‑aria è che sono molto più pulite. Il loro sottoprodotto reagisce naturalmente con gli inquinanti trasformandoli in sostanze utili. Questo approccio è più sostenibile rispetto alle batterie al litio‑ion, che già creano problemi di discarica con l’invecchiamento.

Casi d’Uso Reali e Tempistiche di Commercializzazione

Esistono diversi utilizzi per le batterie sodio‑aria. Queste batterie offrono alta densità energetica a basso costo. Il loro design leggero le rende ideali per applicazioni commerciali su camion, che vanno dal trasporto merci a treni, imbarcazioni e aviazione.

Aviazione: Il Target Principale per le Celle a Combustibile Sodio-Aria

Le batterie sodio‑aria potrebbero contribuire a inaugurare l’era degli aerei elettrici. Questi dispositivi potrebbero utilizzare vassoi di celle a combustibile sostituibili per alimentare viaggi globali e altro. Gli ingegneri hanno descritto un concetto in cui il sottoprodotto delle celle a combustibile esce dall’aereo attraverso lo scarico tradizionale, consentendo all’apparecchio di pulire l’aria durante il volo.

Tempistica e Prospettive Commerciali

I ricercatori sono desiderosi di portare questa tecnologia nel settore commerciale il più rapidamente possibile. Hanno già creato una società chiamata Propel Aero per garantire i finanziamenti necessari a portare il concetto sul mercato. Secondo gli ingegneri, l’obiettivo è produrre una cella a combustibile delle dimensioni di un mattone, capace di fornire 1.000 watt‑ora di energia affidabile a grandi droni commerciali.

Ricercatori della Cella a Combustibile Sodio-Aria

Lo studio sulla cella a combustibile sodio‑aria è stato presentato da Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet‑Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad e Venkatasubramanian Viswanathan. Il progetto ha ricevuto supporto finanziario da Breakthrough Energy Ventures, dalla National Science Foundation e da ARPA‑E.

Investire nel Settore delle Batterie

C’è una corsa per fornire al mondo batterie migliori, e i produttori continuano a rispondere con nuove soluzioni. Il mondo è senza fili, e le batterie ne sono i sostituti. Perciò, la tecnologia delle batterie è diventata una delle più rapide innovazioni. Ecco un’azienda che guida questa rivoluzione.

Enovix Corp.

Enovix Corp (ENVX ) è entrata sul mercato nel 2006 e ha sede a Fremont, California. I fondatori dell’azienda, Harold Jones Rust III, Ashok Lahiri e Murali Ramasubramanian, volevano creare una batteria al litio‑ion più efficiente per alimentare veicoli elettrici e altre tecnologie avanzate. Dalla sua nascita, Enovix ha mantenuto uno spirito pionieristico.