Un materiale che potrebbe rivoluzionare le celle a combustibile scoperto da team di ricercatori giapponesi

I ricercatori guidati da Genki Kobayashi presso il RIKEN Cluster for Pioneering Research in Giappone hanno sviluppato un elettrolita solido per il trasporto di ioni idruro (H-) a temperatura ambiente. Con questa tecnologia alla cui base c’è il lantanio si risolve un enorme problema dell’utilizzo dell’idrogeno come combustibile: il suo trasporto e la possibilità di far passare gli ioni nelle celle di energia.

Grazie a questa scoperta, i vantaggi delle batterie e delle celle a combustibile allo stato solido basate sull’idrogeno sono a portata di mano, e comprendono il miglioramento della sicurezza, dell’efficienza e della densità energetica, essenziali per progredire verso un’economia energetica basata sull’idrogeno. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Energy Materials.

Affinché l’accumulo di energia e il combustibile a idrogeno diventino più diffusi, è necessario che siano sicuri, molto efficienti e il più semplici possibile. Le attuali celle a combustibile a idrogeno utilizzate nelle auto elettriche funzionano permettendo ai protoni di idrogeno di passare da un’estremità all’altra della cella a combustibile attraverso una membrana polimerica per generare energia.

Un movimento efficiente e ad alta velocità dell’idrogeno in queste celle a combustibile richiede acqua, il che significa che la membrana deve essere continuamente idratata per evitare che si secchi. Questo vincolo aggiunge un ulteriore livello di complessità e di costo alla progettazione di batterie e celle a combustibile che limita la praticabilità di un’economia energetica basata sull’idrogeno di prossima generazione.

Per superare questo problema, gli scienziati hanno cercato di trovare un modo per condurre gli ioni negativi dell’idruro attraverso i materiali solidi, in particolare a temperatura ambiente.

Kobayashi ha dichiarato: “Abbiamo raggiunto una vera e propria pietra miliare. Il nostro risultato è la prima dimostrazione di un elettrolita solido che conduce gli ioni idruro a temperatura ambiente”.

Il team ha sperimentato gli idruri di lantanio (LaH3-δ) per diversi motivi: l’idrogeno può essere rilasciato e catturato con relativa facilità, la conduzione degli ioni idruro è molto elevata, possono funzionare a temperature inferiori a 100° C e hanno una struttura cristallina.

Tuttavia, a temperatura ambiente, il numero di atomi di idrogeno legati al lantanio oscilla tra 2 e 3, rendendo impossibile una conduzione efficiente. Questo problema è chiamato non stechiometria dell’idrogeno ed è stato il principale ostacolo superato nel nuovo studio.

Quando i ricercatori hanno sostituito parte del lantanio con lo stronzio (Sr) e hanno aggiunto solo un pizzico di ossigeno – per una formula base di La1-xSrxH3-x-2yOy – hanno ottenuto i risultati sperati.

Il team ha preparato campioni cristallini del materiale utilizzando un processo chiamato macinazione a sfere, seguito da una ricottura. Poi hanno studiato i campioni a temperatura ambiente e hanno scoperto che erano in grado di condurre gli ioni idruro a una velocità elevata.

Poi hanno testato le sue prestazioni in una cella a combustibile a stato solido realizzata con il nuovo materiale e il titanio, variando le quantità di stronzio e ossigeno nella formula. Con un valore ottimale di almeno 0,2 stronzio, hanno osservato una conversione completa del 100% del titanio in idruro di titanio, o TiH2. Ciò significa che quasi zero ioni idruro sono stati sprecati. Una conduttività straordinaria che rende le celle a combustibile molto più efficienti.

Kobayashi ha dichiarato: “A breve termine, i nostri risultati forniscono linee guida per la progettazione di materiali per elettroliti solidi che conducono ioni idruro. A lungo termine, crediamo che questo sia un punto di svolta nello sviluppo di batterie, celle a combustibile e celle elettrolitiche che funzionano con l’idrogeno”.

Il prossimo passo sarà quello di migliorare le prestazioni e creare materiali elettrodici in grado di assorbire e rilasciare reversibilmente l’idrogeno. Ciò consentirebbe di ricaricare le “batterie di accumulo” e di immagazzinare l’idrogeno per poi rilasciarlo facilmente quando necessario, un requisito necessario per l’utilizzo dell’energia basata sull’idrogeno.

Si tratta di un notevole passo avanti per rendere più pratiche le celle a combustibile, ma ci sono dei problemi pratici ancora da risolvere: questo tipo di cella combustibile non può mai andare sotto lo zero termico, neanche per brevi momenti e neanche parzialmente, pena il decadimento irreversibile dei cristalli conduttori l’idrogeno. Questo è un problema ancora da risolvere, ma comunque si tratta di un grosso passo avanti nella tecnologia delle celle combustibili.