L’attività condotta ha riguardato la realizzazione di una nuova configurazione di tenuta metallo/ceramica per una batteria sodio beta con geometria planare.
La batteria sodio beta, come del resto varie altre tecnologie di accumulo elettrochimico, può svolgere un ruolo importante a supporto della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, essendo caratterizzata da grande versatilità di impiego per numerose applicazioni (regolazione di tensione e frequenza, massimizzazione dell’autoconsumo di energia da fonti rinnovabili non programmabili, riduzione dei picchi di potenza assorbita dagli utenti ecc.) per queste applicazioni il sistema di accumulo deve essere caratterizzato, oltre che da una buona capacità di energia, da tempi di risposta molto 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, che è in grado di espletare le sue caratteristiche di conduttore ionico ad alte temperature di circa 300°C. Attualmente vengono prodotte batterie, denominate sodio beta, con una geometria della membrana di ß;”-allumina “a bicchiere”; tale configurazione consente il contenimento dei reagenti, ma non permette di ottimizzare la potenza specifica della cella. Gli studi oggetto del presente rapporto si sono quindi concentrati sulla possibilità di realizzare una mono cella con una configurazione geometrica della membrana ceramica di ß;”-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, molto fluidi emolto aggressivi chimicamente, soprattutto il sodio.
La configurazione planare consentirebbe di ottenere batterie caratterizzate non solo da elevate densità dienergia, ma anche con una densità di potenza migliore. Inoltre, la forma planare consentirebbe di ottimizzare anche la geometria degli stack, rendendoli più compatti e migliorando l’efficienza della regolazione termica al loro interno.
Le criticità associate alla realizzazione di una configurazione planare risiedono da una parte nella necessità di assicurare una efficiente tenuta tra l’elettrolita solido (ß;” allumina) e i due scomparti (anodico e catodico) con essa in contatto e dall’altra di mantenere un efficace isolamento elettrico tra le due semicelle.
L’attività svolta si è rivolta a studiare i diversi componenti che costituiscono la giunzione metalloceramica che coinvolge il corpo metallico, costituente dei comparti anodico e catodico, e la membrana di ß;” allumina posta tra i due. In particolare i materiali studiati sono stati a matrice ceramica: quali vernici e collanti e materiali innovativi a matrice vetrosa, oltre a definire la corretta geometria delsupporto ceramico della membrana ß;”-allumina. Contestualmente sono stati svolti studi atti alla individuazione della tenuta meccanica tra il supporto di allumina e il corpo metallico dei due comparti elettrodici.
Infine è stata avviata una ricerca bibliografica e una prima fase di sperimentazione atta allarealizzazione, ovvero formulazione e sinterizzazione, di materiali ceramici iono conduttivi; in questa fase le tecniche di sinterizzazione impiegate sono state quelle definite tradizionali; in particolare i precursori vengo sottoposti ad un trattamento di sinterizzazione a seguito di un processo di calcinazioneo sottoposti ad un trattamento di sinterizzazione reattiva (denominata reactive syntesis).
L’attività sperimentale del triennio si è articolata su più fronti. La prima parte della sperimentazione ha riguardato la scelta dei materiali isolanti e la modalità di stesura di questi materiali; le prove, eseguite su diverse composizioni, hanno riguardato sia l’integrità chimica in presenza del sodio metallico in temperatura, sia l’integrità meccanica, ovvero l’assenza di fessure, durante la fase di asciugatura e durante i cicli termici. Tra i vari materiali testati come collanti, ceramici e vetro ceramici, hanno superato i test di affidabilità i collanti a matrice ceramica e i vetro ceramici; di contro le vernici e i materiali a matrice vetrosa non si sono dimostrati stabili all’attacco del sodio.
L’attività sperimentale è proseguita realizzando e testando diverse geometrie relative al sistema di tenuta; le geometrie testate sono state selezionate sulla base dei risultati ottenuti dai test di caratterizzazione dei materiali individuati nel corso della prima fase. Le diverse configurazioni sono state applicate ad una mono cella e sono stati effettuati dei test di tenuta attraverso l’esecuzione di ciclitermici atti a simulare le variazioni di temperatura che si verificano durante le fasi di carica e scarica della batteria. La configurazione di tenuta è stata ottimizzata variando la geometria del sistema di contenimento della ß;”-allumina; la configurazione geometrica adottata è in grado di risolvere i problemi sia di resistenza meccanica che di planarità delle due facce rispetto al sistema di tenuta meccanica utilizzato.
I risultati dalla sperimentazione hanno consentito d’identificare e disegnare il sistema definitivo di tenuta della cella; resta da migliorare/ottimizzare il serraggio tra i corpi dei comparti.
Un altro fronte della sperimentazione ha riguardato l’approfondimento del processo produttivo di ß;”-allumina. Nel corso dell’ultimo anno del triennio, si sono avviate le fasi di formulazione e di formatura della ß;”-allumina in modo da analizzare le diverse fasi di preparazione per un corretto sviluppo di questo componente. La ß;”-allumina è un componente fondamentale della batteria e renderlo meno resistivo e possibilmente operativo a temperature inferiori a 300°C, renderebbe la pila sodio-beta più convenientemente utilizzabile in varie applicazioni. Le prime sperimentazioni sono state indirizzate alla realizzazione di dischetti di ß;”-allumina con alcune formulazioni selezionate tra le più utilizzate; questi componenti ceramici sono stati quindi caratterizzati sia da un punto di vista morfologico che fisico. La sperimentazione ha permesso di ottimizzare alcune delle fasi significative del processo di sinterizzazione del materiale ceramico; la sperimentazione si è avvalsa delle tecniche standard per la formatura di questicomponenti ceramici. Nel futuro si vorrebbero realizzare materiali ceramici iono conduttivi, inserendo alcuni droganti e utilizzando delle tecniche di formatura e sinterizzazione innovative: quali Spark Plasma Sintering (SPS), Electro Phoretic Deposition (EPD) e Tape Casting. Queste tecniche unite alla nuova formulazione potrebbero portare alla realizzazione di una membrana ceramica planare concaratteristiche meccaniche e di conduzione ionica più elevate delle attuali.