ORANGEES: verso batterie e supercondensatori più sostenibili
Il progetto Orangees si concentra sulla sintesi, caratterizzazione e validazione di materiali innovativi, eco-sostenibili e a basso costo per l’applicazione in sistemi di accumulo elettrochimico (SAE) come batterie e supercondensatori. Coinvolge importanti enti di ricerca italiani come CNR, ENEA, RSE, IIT e INSTM e Standex, un’importante azienda specializzata nella realizzazione di texturing di superfici a scala micro e nano-metrica, per sviluppare soluzioni funzionali per i componenti dei SAE.
Attraverso attività di scouting e sperimentazione, il progetto mira a identificare nuovi materiali per i SAE, riducendo l’uso di componenti inorganici e migliorando la sostenibilità ambientale. I vari work package del progetto si concentrano su studi sperimentali, combinazioni di composti organici e inorganici, sostituzioni di materiali tradizionali con soluzioni più eco-sostenibili e riutilizzo di scarti per creare soluzioni “green”. Per approfondire il progetto Orangees abbiamo intervistato la dottoressa Alessandra Di Blasi, ricercatrice presso il CNR.
1. Qual è l’obiettivo principale di questo progetto di ricerca sui materiali innovativi per sistemi di accumulo elettrochimico?
L’obiettivo principale del progetto è quello di porre le basi per individuare materiali sempre più sostenibili e potenzialmente sempre più performanti in grado di potersi sostituire alla componentistica ad oggi comunemente in uso nelle batterie commerciali; la finalità è dunque ricercare l’alternativa ai materiali costituiti da elementi definiti “critici” (Critical Raw Materials, CRM) a causa della loro carente presenza in natura nonché del loro insufficiente recupero per un successivo riuso. Il progetto guarda al lungo termine, a contribuire a quelli che sono gli ambiziosi obiettivi del 2050 rivolti alla decarbonizzazione, proiettandosi verso lo studio di materiali ancora poco o mai esplorati per la specifica applicazione, che siano a basso costo e facilmente reperibili in natura, ovvero materiali che possano rappresentare una futura risorsa per il Paese.
2. Quali sono i partner coinvolti in questo progetto e qual è il loro ruolo specifico?
I partner coinvolti sono i più importanti enti di ricerca italiani quali: CNR (Capofila del progetto) RSE, ENEA, IIT, INSTM, di cui fanno parte le eccellenze del mondo universitario italiano nel settore elettrochimico, ed infine l’impresa STANDEX International s.r.l., leader nel settore del texturing industriale. Il ruolo svolto dagli enti di ricerca è indirizzato verso studi di sintesi e caratterizzazione di materiali alternativi aventi una natura ibrida (inorganica/organica) e puramente organica, provenienti da biomassa e/o scarti di lavorazione industriale. Il ruolo dell’impresa è rivolto allo sviluppo di texturing funzionali per l’ottimizzazione del collettore di corrente, componente fondamentale e presente su tutte le tecnologie di accumulo in studio; pertanto il suo ruolo sarà trasversale a diverse linee di attività e/o tecnologie, offrendo potenziali soluzioni alternative a quanto in uso nel settore. L’interazione tra il mondo della ricerca e dell’impresa è cruciale al fine di convergere verso l’obiettivo comune, ovvero quello di contribuire all’avvio di un nuovo mercato ancora inesistente, basato su quella che sarà la batteria del futuro a base totalmente organica (Full-Organic Battery).
3. In che modo il progetto favorisce l’innovazione e potenziali nuovi business nel settore dei sistemi di accumulo elettrochimico?
La componente innovativa è molto alta, ed è espressione stessa di quanto richiesto dal BANDO-A, il cui TRL, ovvero il raggiungimento di livello di maturità tecnologica a cui arrivare attraverso la proposta progettuale, si ferma a TRL=3, che in una scala da 1 a 9, significa partire dai principi fondamentali per giungere fino al proof-of-concept sperimentale. Pertanto, come tutte le innovazioni, contribuirà ad aprire nuove strade in molti settori, come ad es. il manifatturiero, contribuendo a favorire la nascita di nuove figure professionali e dunque nuovi posti di lavori lungo tutta la catena del valore delle batterie. Siamo all’inizio di un percorso ancora lungo seppur obbligatorio al fine di puntare all’apertura di nuovi mercati, alternativi rispetto a quanto oggi presente.
4. Quali tipologie di materiali vengono studiate all’interno di questo progetto e quali sono le loro caratteristiche distintive?
Attraverso un approccio massivo e complementare, l’attività scientifica guarda all’individuazione, sintesi e test di materiali sempre più sostenibili aventi sia una natura ibrida, ovvero costituiti da una matrice inorganica e organica quali ad es. Metallic Organic Framework (MOF), che una natura puramente organica quali ad es. elettrodi a base di sali alcalini ricavati dagli acidi tereftalici, nonché binder per la realizzazione di elettrodi a base di polisaccaridi e estratti di semi ecc. Ancora saranno oggetto di studio materiali organici provenienti da attività di scarto di lavorazione come ad es. reflui dell’industria casearia e della seta e da rifiuti, come ad es. biomasse, bottiglie di plastica ecc. Ad oggi, i materiali ibridi sono sicuramente in grado di offrire una maggiore affidabilità in termini di prestazione elettrochimica proprio perché costituiti da una componente metallica, fondamentale al fine della prestazione di cella. L’obiettivo è però rivolto a diminuire progressivamente tale componente a favore di quella organica, a più basso costo e minor impatto ambientale. Pertanto, l’obiettivo è rivolto ad individuare materiali in grado di poter garantire elevati standard di sostenibilità garantendo prestazioni competitive rispetto alle esigenze richieste da un mercato in continua crescita ed evoluzione.
5. Come sono valutati i materiali sia dal punto di vista delle prestazioni elettrochimiche che della sostenibilità ambientale?
I materiali sono valutati attraverso analisi di caratterizzazione chimico-fisica quali analisi RAMAN, XRD, SEM, IR ecc., necessarie al fine della determinazione della “bontà” del materiale desiderato; tali analisi sono dunque propedeutiche ai successivi test in semicella, indispensabili per il riscontro in termini di prestazione elettrochimica. Quest’ultima è determinata tramite test basati su tecniche di voltammetria ciclica, cicli di carica/scarica a diverse condizioni operative (C-rate, T ecc.). Parallelamente, il progetto comprende anche attività di supporto a quelle sperimentali, che si configurano come trasversali a tutte le linee di attività; si tratta di studi di life cycle analysis (LCA) in grado di offrire una stima del grado di riduzione dell’impatto ambientale delle varie soluzioni proposte nel progetto e studi di simulazione teorico/modellistica il cui obiettivo è quello di supportare la progettazione di alcuni dei materiali oggetto di studio, aiutando ad interpretarne il comportamento sperimentale. Tutto ciò contribuirà a fare scelte più consapevoli e sostenibili già in fase di progettazione della batteria, orientando verso soluzioni a minor impatto ambientale, economico e sociale in un’ottica di economia circolare.
6. Quali sono le potenziali implicazioni economiche e sociali derivanti dall’introduzione di materiali eco-sostenibili nei sistemi di accumulo elettrochimico?
Gli accadimenti degli ultimi anni ed i conseguenti risvolti sul sistema energetico nazionale, hanno messo in luce i gravi risvolti economico-sociali dettati dall’essere dipendenti energeticamente da Paesi geopoliticamente instabili. La risposta dell’Europa si è tradotta in azioni immediate, alternative ai combustibili fossili, affinché non si incorra più in condizioni di “sudditanza energetica”, dettate dal monopolio esclusivo di pochi Paesi, le cui ripercussioni si riflettono, in maniera diretta ed indiretta, sull’aumento indiscriminato dei costi, da quelli in bolletta fino ai beni di prima necessità. Riuscire a individuare nuovi materiali e soluzioni tecnologiche, in grado di configurarsi come il nuovo “combustibile” a sostegno dell’autonomia del Paese, significa svincolarsi da condizioni di monopolio, anche laddove presente in Stati ritenuti ad oggi alleati.
7. Come viene affrontata la questione della durata e della stabilità dei materiali nel tempo, considerando l’importanza della longevità dei sistemi di accumulo elettrochimico?
Questo è un progetto che guarda ad esplorare materiali di frontiera, ritenuti potenzialmente validi dal punto di vista della sostenibilità ambientale, economica e prestazionale. Pertanto, attraverso una prevalutazione di questi, il progetto pone le basi per uno studio che dovrà svilupparsi ad un successivo livello di maturità rispetto quanto richiesto dal bando, da cui prende vita ORANGEES. Ad oggi i nostri studi si fermano a livelli di maturità tali da non ricoprire analisi per la determinazione della stabilità nel tempo, della riproducibilità elettrochimica e dunque dell’efficienza energetica. Tali analisi saranno fondamentali per portare a termine quanto oggi è stato avviato all’interno di ORANGEES.
8. Quali sono i principali risultati attesi e come verranno diffusi e divulgati alla comunità scientifica e industriale?
I risultati scientifici attesi dall’attività sperimentale sono risultati di tipo conoscitivo, frutto di un attento processo di scouting ed individuazione di materiali a matrice fortemente organica quali elettrodi, elettroliti, liquidi ionici ecc., potenzialmente validi dal punto di vista chimico-fisico per applicazioni in dispositivi di accumulo elettrochimico lithium e post-lithium. I risultati dell’attività sperimentali saranno diffusi attraverso l’impiego dei canali informatici più noti, attraverso la partecipazione a convegni nazionali ed internazionali, l’organizzazione di workshop, la presentazione delle attività nei tavoli nazionali ed europei nonché attraverso la realizzazione del sito internet con dominio ORANGEES consultabile da Giugno 2024: www.orangees.it. Il progetto ORANGEES rappresenta un passo importante verso un futuro energetico più sostenibile. La ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali ecocompatibili per le batterie e i supercondensatori sono fondamentali per la transizione verso un sistema energetico basato sulle rinnovabili. L’impegno e la dedizione del team di ORANGEES offrono una speranza concreta per un futuro più verde.