Superare le barriere dello stoccaggio dell'idrogeno con una batteria a idrogeno a bassa temperatura
Gli scienziati hanno sviluppato un elettrolita solido che consente alla batteria di immagazzinare e rilasciare idrogeno a temperature inferiori a 100 °C
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Una batteria a idrogeno che funziona a soli 90 °C è stata sviluppata da ricercatori giapponesi, superando i limiti di alta temperatura e bassa capacità dei metodi precedenti. Il dispositivo funziona spostando gli ioni idruro attraverso un elettrolita solido, permettendo all'idruro di magnesio, che funge da anodo, di immagazzinare e rilasciare ripetutamente idrogeno a piena capacità. Questa batteria offre un modo pratico per immagazzinare l'idrogeno, aprendo la strada a veicoli alimentati a idrogeno e a sistemi energetici puliti.
Una delle sfide più pressanti per l'utilizzo dell'idrogeno è il suo stoccaggio, che in genere richiede temperature estremamente basse (-252,8 °C) e pressioni elevate (da 350 a 700 bar). Invece di immagazzinare l'idrogeno come gas o liquido, un approccio più efficace è quello di immagazzinarlo in materiali solidi come l'idruro di magnesio (MgH2), che ha un'elevata capacità teorica di stoccaggio. Questo materiale può essere integrato in un sistema simile a una batteria in cui, invece di spostare solo gli elettroni, l'idrogeno stesso viene immagazzinato e rilasciato durante la carica e la scarica.
Fino a poco tempo fa, questo approccio era limitato dalla necessità di temperature operative elevate, superiori a 300 °C, dalla scarsa reversibilità dell'assorbimento e del desorbimento dell'idrogeno e da reazioni collaterali indesiderate che ne riducevano le prestazioni. In uno sviluppo significativo che potrebbe aprire le porte ad applicazioni pratiche, i ricercatori dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, hanno sviluppato una batteria all'idrogeno che può funzionare a temperature molto più basse, intorno ai 90 °C. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science il 18 settembre 2025, è stato condotto da un team di ricerca guidato dal ricercatore Dr. Takashi Hirose, dal professore assistente Naoki Matsui e dal professore dell'Istituto Ryoji Kanno presso il Research Center for All-Solid-State Battery di Science Tokyo.
"Abbiamo dimostrato il funzionamento di una batteria Mg-H2 come dispositivo sicuro ed efficiente per l'immagazzinamento dell'energia dell'idrogeno, ottenendo un'elevata capacità, una bassa temperatura e l'assorbimento e il rilascio reversibile di idrogeno gassoso", afferma Matsui.
La novità di questa batteria risiede nell'elettrolita solido, Ba0,5Ca0,35Na0,15H1,85, in grado di trasportare in modo efficiente gli ioni idrogeno, in particolare gli ioni idruro (H-). Questo materiale ha una struttura cristallina di tipo anti-α-AgI, ben nota per la sua conducibilità superionica. In questa struttura, il bario, il calcio e il sodio occupano posizioni centrate sul corpo, mentre gli H- si muovono in siti tetraedrici e ottaedrici che condividono le facce, consentendo loro di migrare liberamente. I test hanno dimostrato che il materiale ha un'elevata conducibilità ionica a temperatura ambiente (2,1 × 10-5 S cm-1) e stabilità elettrochimica, rendendo il sistema efficace per lo stoccaggio e il rilascio di idrogeno a lungo termine.
Il progetto della batteria utilizza MgH2 come anodo e idrogeno (H2) gassoso come catodo. Durante la carica, l'MgH2 rilascia H-, che migra attraverso l'elettrolita Ba0,5Ca0,35Na0,15H1,85 verso l'elettrodo H2, dove viene ossidato per rilasciare H2 gassoso. Durante la scarica, si verifica l'inverso: Il gas H2 al catodo viene ridotto a H-, che si sposta attraverso l'elettrolita verso l'anodo e reagisce con il Mg per formare MgH2.
Questo processo consente alla cella di immagazzinare e rilasciare H2 quando necessario, il tutto a temperature gestibili inferiori a 100 °C. Utilizzando questa cella, i ricercatori sono stati in grado di raggiungere la piena capacità teorica di stoccaggio dell'MgH2, circa 2.030 mAh g-1, equivalente al 7,6% di H2, per cicli ripetuti.
I metodi tradizionali di stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido hanno incontrato notevoli limitazioni. L'assorbimento e il desorbimento per via termica richiedevano temperature operative molto elevate, tra i 300 e i 400 °C, per rilasciare o catturare l'idrogeno, rendendo il processo dispendioso in termini energetici e poco pratico per l'uso quotidiano. Un approccio alternativo che utilizza l'accumulo elettrochimico con elettroliti liquidi a temperature più basse soffre di uno scarso trasporto di ioni di idrogeno, il che significa che i materiali non possono raggiungere nemmeno lontanamente le capacità di accumulo teoriche. Di conseguenza, entrambi gli approcci non sono riusciti a fornire una soluzione efficiente, reversibile e a bassa temperatura per lo stoccaggio dell'idrogeno.
"Queste proprietà della nostra batteria di stoccaggio dell'idrogeno erano precedentemente irraggiungibili attraverso i metodi termici convenzionali o gli elettroliti liquidi, offrendo una base per sistemi efficienti di stoccaggio dell'idrogeno adatti all'uso come vettori energetici", spiega Hirose.
Una batteria di questo tipo potrebbe essere la chiave per un futuro alimentato a idrogeno, consentendo di realizzare veicoli a idrogeno e industrie senza emissioni di carbonio.
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