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Rapporto RSE 18002401

Batteria Na-beta: Realizzazione di campioni di elettroliti solidi a diversacomposizione e sviluppo della monocella planare

Rapporto

2017

Richiedi il materiale (14.01 MB, .pdf)

M. Radaelli (RSE SpA) , M. Broglia (RSE SpA)

ACCUMULO 2017 - Materiali e tecnologie per l’accumulo

L’attività svolta riguarda da una parte lo sviluppo di una nuova configurazione di mono ella a geometria planare per la batteria denominata sodio cloruro di nichel e dall’altra lo sviluppo di un nuovo elettrolita solido (¿” allumina) con la tecnica SPS esente da difetti.

L’attività condotta ha permesso da una parte la realizzazione di un prototipo di cella elettrochimica di nuova configurazione che si basa sullo sviluppo di una mono cella per una batteria sodio beta con geometria planare e dall’altra lo studio e sviluppo di un nuovo elettrolita solido.

La batteria sodio beta può svolgere un ruolo importante a supporto della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, intervenendo in condizioni di instabilità della tensione e della frequenza e, in generale, per il miglioramento della power quality. Per questo tipo di applicazioni il sistema di accumulo deve essere caratterizzato da tempi di risposta rapidi ed elevate prestazioni in potenza.

Questo tipo di batteria ha energia specifica elevata, ma potenza specifica da migliorare. In particolare essa utilizza, come membrana di trasporto ionico tra i due comparti anodico e catodico, un materiale ceramico, denominato sodio β”-allumina, che è in grado di espletare le sue caratteristiche di conduttore ionico ad alte temperature, raggiungendo massima efficienza nella condizione di esercizio a circa 300°C. Attualmente vengono prodotte batterie, denominate sodio beta, con una geometria della membrana di β”-allumina “a bicchiere”; tale configurazione consente il contenimento dei reagenti, ma non permette di ottimizzare la potenza specifica della cella. Gli studi si sono quindi concentrati sulla possibilità di realizzare una mono cella con una configurazione geometrica della membrana ceramica di β”-allumina di forma planare, la quale deve quindi essere in grado di “contenere” i reagenti, che alla temperatura di esercizio si presentano in forma liquida e risultano chimicamente molto aggressivi, in particolar modo il sodio. La configurazione planare consentirebbe infatti di ottenere batterie caratterizzate non solo da elevate densità di energia, ma anche da una densità di potenza superiore. Inoltre, la geometria planare consentirebbe di impilare le singole monocelle, rendendo più compatta la batteria e migliorandone la regolazione termica. Infine, nel corso dell’anno sono continuate le attività finalizzate allo sviluppo di elettroliti ionici con proprietà iono conduttive migliori dello stato dell’arte, contribuendo anche per questa via al miglioramento delle prestazioni in potenza.

Sulla base dei risultati ottenuti nel corso delle precedenti annualità, si è progettata, realizzata ed assemblata una nuova mono cella in grado di superare le problematiche riscontrate nei test svolti durante i precedenti anni. Successivamente sono stati avviati test di carica e scarica; i test sono stati effettuati utilizzando l’elettrolita solido e i reagenti catodici impiegati industrialmente. Questa sperimentazione ha confermato la validità della geometria e delle soluzioni tecnologiche sviluppate sebbene siano state individuate alcune criticità che necessitano un ulteriore approfondimento di concerto con il costruttore nazionale di questa tipologia di batteria. Relativamente allo sviluppo di un nuovo elettrolita solido, l’attività sperimentale si è concentrata sull’individuazione delle possibili cause che portano alla formazione di microdifettosità e criccature a loro volta responsabili delle scarse caratteristiche meccaniche e di conducibilità ionica dei campioni di b” allumina realizzati mediante la tecnica SPS, nonostante essi presentino un elevato grado di purezza (superiore al 90%) ed una densità compresa tra 92 e 98% del valore teorico. I test si sono quindi concentrati sulla metodologia sperimentale andando a valutare l’effetto dei diversi parametri del processo di sinterizzazione con particolare riferimento a temperatura e pressione. Parallelamente sono stati inoltre svolti test di sinterizzazione in forno per valutare l’effetto dell’aggiunta di leganti alle polveri al fine di migliorare il grado di densificazione dei campioni.

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