Enea sta contribuendo a sviluppare un materiale di nuova generazione per applicazioni in celle a combustibile, elettrolizzatori e batterie metal-air, dispositivi fondamentali per la produzione di idrogeno verde e il suo utilizzo nel trasporto elettrico.
Si tratta di un materiale privo di metalli come platino e iridio, molto costosi e poco disponibili, capace di garantire una doppia funzione: oltre a catalizzare le reazioni elettrochimiche, agisce anche come strato di diffusione dei gas grazie alla struttura porosa e leggera.
Lo ha messo a punto e brevettato il laboratorio “Idrogeno e nuovi vettori energetici” del Dipartimento Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili (Terin), con il contributo di altre due strutture Enea e in collaborazione con l’Università del Salento.
Come funziona il materiale
“Il materiale è composto di nanofibre polimeriche ottenute tramite elettrospinning (una tecnica che usa un campo elettrico per trasformare una soluzione di materiale in fibre ultrafini, spesso nanometriche, ndr) e contenenti particelle attive a base di carbonio, azoto e ossidi di metalli di transizione, facilmente reperibili ed economici”, spiega in una nota Maria Federica De Riccardis, Senior researcher del centro ricerche Enea di Brindisi, autrice del brevetto insieme alle colleghe Marilena Re e Daniela Carbone e al professor Claudio Mele del Dipartimento di Ingegneria dell’innovazione di Unisalento.
“Il materiale risolve tre grandi criticità”, spiega De Riccardis a QualEnergia.it. La prima riguarda la dipendenza da materie prime critiche, la seconda la complessità strutturale dei dispositivi, visto che “si riducono i passaggi nella preparazione dei componenti principali dei dispositivi elettrochimici per la produzione e la trasformazione dell’idrogeno e accumulo elettrico”, e l’ultima la riduzione delle perdite elettriche.
“Dal momento che questo materiale attivo è depositato direttamente sull’elettrodo che raccoglie la corrente – spiega la ricercatrice – si evitano le inefficienze intrinseche dovute alla struttura più articolata dei sistemi tradizionali”.
Il materiale è formato da due componenti integrati e assume una doppia funzione: da un lato svolge il ruolo di strato catalitico per le reazioni elettrochimiche, “facilitando la produzione dell’idrogeno dall’acqua o la trasformazione dell’idrogeno in energia elettrica”, dall’altro “agisce da gas diffusion layer, cioè da strato poroso che permette il trasporto dei gas di reazione o dei prodotti liquidi che alimentano o devono fuoriuscire dai dispositivi elettrochimici”.
Eliminato l’uso di platino e iridio, i ricercatori stimano di quanto potrebbe ridursi il costo dei dispositivi rispetto alle tecnologie convenzionali. “La riduzione dei costi deriverà da due fattori combinati: l’uso di elementi chimici intrinsecamente economici e abbondanti e la semplificazione dei processi produttivi”, spiega De Riccardis.
Per il primo fattore, “si può stimare una diminuzione del 30-40% sul costo dello stack”, mentre il secondo fattore “comporta un minor numero di componenti da produrre e assemblare e minori tempi di produzione”. L’adozione di questo nuovo materiale e della tecnologia usata per produrlo “porterebbe ad una riduzione totale di circa il 50% sul costo del dispositivo rispetto a quello prodotto con materiale e tecniche tradizionali”.
Oltre la dipendenza geografica
Il punto di forza del brevetto, rimarca De Riccardis, è l’azzeramento della dipendenza geografica da Paesi monopolisti, come il Sudafrica per il platino o la Cina per le terre rare. I componenti chimici usati per questo materiale “si basano su elementi abbondanti e su una filiera industriale chimica e metallurgica già fortemente radicata, matura e autosufficiente all’interno dell’Unione europea”.
I polimeri, per esempio, vengono prodotti in tonnellate da giganti dell’industria chimica europea con stabilimenti in Germania, Francia, Belgio e Italia.
La produzione di carbonio e di azoto vede l’Europa fortemente autonoma, grazie a una radicata rete di impianti di raffinazione.
Anche per i metalli di transizione (ferro, nichel, manganese) in Europa la filiera è solida, sia per l’estrazione primaria (per esempio in Finlandia) che per la raffinazione chimica dei metalli (Belgio e Norvegia), senza dimenticare le potenzialità delle aziende europee di chimica fine che producono i materiali già in forma di ossidi.
Infine, non va dimenticato che questi ossidi di metalli di transizione sono gli stessi utilizzati nelle moderne batterie agli ioni di litio. L’Europa sta costruendo in questi anni, spinta dal Regolamento 2023/1542, una rete di riciclo interno (urban mining).
Questo significa che la materia prima per questo materiale in futuro potrà essere estratta direttamente dalle vecchie batterie riciclate in Italia o in Europa, azzerando del tutto l’importazione mineraria.
I prossimi passi
Il Technology readiness level (Trl) di questi materiali è ancora medio-basso. Questo significa che i test e i confronti sono stati fatti con i dati disponibili nella letteratura scientifica.
“Ciò non toglie che le prestazioni finora misurate sono paragonabili a quelle dei materiali usati nei dispositivi commerciali, anche se ci sono ancora spazi di miglioramento. Stiamo continuando a studiare questi materiali proprio per renderli ancora più performanti e quindi altamente competitivi rispetto alle soluzioni commerciali”, spiega De Riccardis.
Per ora, quindi, le prove sono state fatte su scala di laboratorio e “ci si sta attrezzando per fare test su una scala simile a quella di dispositivi commerciali”.
Gli sviluppatori non vedono ostacoli al passaggio di scala di questa tecnologia, anche se non si sbilanciano sui tempi. Sottolineano però che “potrebbe essere facilitato se ci fossero dei partner industriali che sostenessero gli sforzi sia in termini economici che con risorse umane”.
