Più che un semplice accumulo di elettricità: gli scienziati sviluppano il duale

Da Wiley30 agosto 2023

I ricercatori dell’Università di Tsinghua hanno sviluppato una batteria ibrida che non solo immagazzina e fornisce elettricità, ma produce anche sostanze chimiche preziose come l’alcol furfurilico e l’acido furoico. Il sistema a duplice uso combina le caratteristiche delle batterie ricaricabili e a flusso redox, utilizzando catalizzatori specializzati per trasformare il furfurale derivato dalla biomassa in sostanze chimiche utili mentre la batteria si carica o si scarica.

Le batterie ricaricabili immagazzinano l'elettricità nei materiali degli elettrodi, mentre le batterie a flusso redox utilizzano sostanze chimiche immagazzinate in serbatoi collegati agli elettrodi. Gli scienziati hanno recentemente progettato un sistema di batterie ibride che non solo immagazzina e fornisce elettricità, ma genera anche sostanze chimiche utili in un sistema di flusso.

While in use the furfural–nickel hydroxide battery transforms biomass-sourced furfural into either furfuryl alcohol or furoic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">acido.

Il furfurale è una piccola molecola formata da zuccheri pentosi comuni nella biomassa agricola ed è considerata un'importante piattaforma chimica da cui è possibile ottenere numerosi intermedi per varie applicazioni. Può essere ossidato ad acido furoico, un conservante alimentare e un intermedio nella sintesi di prodotti farmaceutici e fragranze.

Una volta ridotto, il furfurale viene convertito in alcol furfurilico, un precursore di resine, aromi e farmaci. Haohong Duan e un team di ricercatori dell’Università Tsinghua di Pechino, in Cina, sono ora riusciti a ottenere entrambe le sostanze chimiche a valore aggiunto durante il funzionamento di una batteria a flusso ibrido, aumentando l’efficienza in termini di costi del sistema di batterie.

Quando sono cariche, le batterie ricaricabili standard immagazzinano l'elettricità nei loro elettrodi e la immettono in un circuito mentre si scaricano. Un altro tipo di batteria, le batterie a flusso redox, immagazzina l’elettricità in sostanze chimiche, con i prodotti chimici che passano tra due stati e rimangono all’interno della batteria. Combinando entrambi i concetti, i ricercatori hanno studiato la misura in cui tali batterie sono in grado di produrre sostanze chimiche aggiuntive mentre immagazzinano o forniscono energia.

A breakthrough came in the form of a bifunctional metal catalyst for the anode. Made of a rhodium–copper single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> lega, questo catalizzatore converteva senza problemi il furfurale contenente elettrolita in alcool furfurilico quando la batteria veniva caricata, mentre l'acido furoico si formava quando la batteria veniva scaricata. Per il catodo, i ricercatori hanno identificato un materiale di idrossido di nichel drogato con cobalto, simile ai materiali catodici utilizzati nelle tradizionali batterie al nichel-zinco o al nichel-metallo idruro.

Questo assemblaggio ha portato a un vero e proprio sistema di batterie a duplice uso: dopo la ricarica (utilizzando una cella solare), quattro batterie ibride collegate in serie erano in grado di far funzionare vari dispositivi, tra cui luci a LED e smartphone, producendo continuamente alcol furfurilico e acido furoico durante la batteria. ciclismo, con queste sostanze chimiche che vengono portate via utilizzando un sistema di flusso.

Gli autori hanno scoperto che la nuova batteria ibrida è paragonabile a una serie di batterie comuni in termini di densità di energia e densità di potenza, ma fornisce allo stesso tempo sia energia che sostanze chimiche a valore aggiunto. Accumulando 1 kWh di energia si producono 0,7 kg di alcol furfurilico e 1 kg di acido furoico quando il sistema fornisce una potenza di 0,5 kWh (con la quale può funzionare un frigorifero per un paio d'ore). Tuttavia, il furfurale viene continuamente immesso nel sistema e i prodotti devono essere separati dall'elettrolita.