Sviluppo di batterie a ioni di Mg con elevata efficienza di stoccaggio dell’energia elettrica

L’incremento del consumo di energia stimato nei prossimi decenni e la necessità di abbattere l’inquinamento ambientale dovuto ai processi di produzione di energia attraverso i combustibili fossili hanno portato una maggiore attenzione sull’uso di fonti di energia rinnovabili. Ai combustibili tradizionali a base di carbonio sono state affiancate altre fonti di energia con un minore impatto sull’ambiente, quali ad esempio il solare e l’eolico. Queste fonti, sebbene non comportino emessioni dirette di CO2, sono soggette a fluttuazioni dipendenti dalle condizioni climatiche, che non permettono l’erogazione continua di corrente nel sistema elettrico urbano. Conse- guentemente, parte dell’energia che viene prodotta può essere persa durante picchi di produzione, oppure può non essere sufficiente per soddisfare la richiesta minima di consumo. Un modo pratico per risolvere questo problema è immagazzinare l’energia prodotta in eccesso in opportune batterie. A seconda della tipologia, questi dispositivi possono accumulare e rilasciare una quantità di carica elettrica sotto- forma di reazioni redox. In genere una batteria è composta da un anodo (carico negativamente), un catodo (carico positivamente) e un elettrolita che consente la migrazione degli ioni. Il processo di scarica di una batteria a ioni di Li, la più comune in commercio, prevede che l’anodo sia ossidato in modo da rilascia- re ioni Li+ nell’elettrolita; contemporaneamente gli elettroni viaggiano nel circuito esterno mentre lo ione Li+ intercala nel catodo per compensare la carica negativa degli elettroni. Il processo di carica è basato sul processo opposto. Oggigiorno le batterie più diffuse sono quelle ricaricabili a base di ioni di Li (LIBs), che risultano vantaggiose grazie alle caratteristiche peculiari del Li, come il fatto di essere un me- tallo leggero e avere una capacità gravimetrica teorica di 3860mAh/g. Tuttavia, il litio presenta diversi svantaggi economici, in quanto costoso e poco abbondante (0.002% crosta terrestre), e tecnici. In particolare, se la distribuzione di carica non è uniforme, possono formarsi dendriti che causano un cortocircuito. Di conseguenza, si sta cercando di sostituire Li con Mg, in quanto presente in maggiore abbondanza nella crosta terrestre e caratterizzato da una capacità specifica teorica di 2205Ah/kg, dovuta alla presenza di due elettroni per centro redox. Inoltre, poiché Mg è chimicamente più stabile rispetto al Li, i problemi di sicurezza sono più limitati e la formazione di dendriti risulta molto meno probabile. Il meccanismo di funzionamento delle batterie a ioni di Mg (MIBs) è analogo a quello delle batterie a ioni di litio e, con opportune strutture attualmente in fase di progettazione, possono generare potenzialmente una densità elettrica di 150-200Wh/kg ad un voltaggio operativo di 2-3V. Queste caratteristiche rendono le MIBs idonee per supportare l’eneregia prodotta dalle fonti di rinnovabili. Lo sviluppo delle MIBs è attualmente in uno stadio preliminare: infatti, devono ancora essere risolti diversi problemi, come la formazione di strati di passivazione negli anodi a base di Mg, che cineticamente bloccano le reazioni elettrochimiche. Altra problematica importante è la scarsità di materiali idonei alla produzione di catodi che rendano efficiente l’intercalazione del Mg2+ a temperatura ambiente. Sono in fase di studio diverse soluzioni dei problemi delle MIBs, che permettano al contempo di mantenere ragionevoli i costi dei dispositivi.