Batterie al sodio per un futuro senza litio

Con l’aumento delle vendite di veicoli elettrici, le forniture di litio potrebbero ridursi fino ad esaurirsi. Per questo motivo alcune aziende stanno già cercando delle valide alternative ed alcune di queste stanno già cominciando a proporre delle celle a base di sodio.

Mezzo secolo fa, la batteria basata sul sodio veniva considerata come la batteria del futuro, dato che si tratta di un elemento molto comune, leggero e facilmente ionizzabile.
In una batteria, gli ioni si spostano avanti e indietro tra due piastre con cariche opposte, generando così una corrente.
Sia in ambito domestico che automotive, c’è stato un tempo in cui sembrava che questa fattispecie di batteria potesse essere un’ottima fonte di alimentazione, ma poi è arrivato il litio.
Nel 1991 Sony ha commercializzato la prima batteria ricaricabile agli ioni di litio: abbastanza piccola e portatile da poter alimentare le sue videocamere portatili.
Il litio era più leggero e più facile da lavorare rispetto al sodio, quindi su questa base si è sviluppata l’intera industria delle batterie. Da quel momento in poi, Il sodio è passato in secondo piano fino a quasi scomparire. Fino ad adesso.

Quest’estate l’azienda cinese CATL, uno dei più grandi produttori di batterie al mondo, ha sorpreso tutti quando ha annunciato che il sodio avrà un ruolo importante nel futuro dell’alimentazione.
Infatti a partire dal 2023, inizierà ad utilizzare delle celle a base di sodio insieme a quelle al litio, per la produzione di pacchi batteria destinati all’alimentazione delle auto elettriche.

Il sodio è più economico del litio e a basse temperature si comporta meglio rispetto a quest’ultimo.
Allo stesso tempo, si vuol fare fronte ad un problema che nel 1991 non si poteva nemmeno immaginare: entro la fine di questo decennio, il mondo sarà a corto di materie prime per la produzione di batterie.
Non si parla soltanto di carenza di litio, ma anche di diversi metalli come nichel e cobalto che vengono utilizzati in moltissime batterie.
Ora che più che mai che si punta all’elettrificazione, è tempo di pensare alla diversificazione.

Secondo Shirley Meng, una scienziata di batterie presso l’Università della California, l’annuncio di CATL ha eccitato parecchio chi lavora con il sodio. La professoressa Meng ha iniziato a lavorare con il sodio da giovane, in parte perché era alla ricerca di una nicchia che fosse abbastanza controcorrente, ma anche perché ha visto nel sodio un grande potenziale.
“Il più grande ostacolo al successo per il sodio è stato il grande successo del litio”.

Il litio non è così tanto raro, ma i depositi di litio sono concentrati in luoghi nei quali l’estrazione risulta complicata. Quindi delle aziende come CATL sono in competizione per assicurarsi una fetta della fornitura da un numero limitato di miniere, per lo più situate in Australia e nelle Ande.
Nel frattempo, le riserve in Nord America sono impegnate in controversie ambientali, sollevando preoccupazioni negli Stati Uniti sulla sicurezza delle catene di approvvigionamento.

Con l’apertura di più miniere, probabilmente ci sarà abbastanza litio per alimentare tutti i veicoli del mondo, ma questo non tiene conto di tutti gli altri dispositivi che necessitano comunque di un’alimentazione elettrica: ad esempio le batterie avranno sempre di più un ruolo di primaria importanza nei microgrids fotovoltaici.

Il sodio è un elemento comune che viene solitamente estratto dal carbonato di sodio, ma può essere trovato praticamente ovunque, anche nell’acqua di mare e nella torba delle paludi.
Gli ioni sono un po’ più pesanti e più grandi di quelli del litio, il che significa che non è possibile accumulare tanta energia in un piccolo spazio.
“Il punto in cui le batterie al sodio possono avere un grande impatto è sulla rete”, spiega Nuria Tapia-Ruiz, professore alla Lancaster University e direttrice dell’iniziativa sulle batterie al sodio della Faraday Institution. Queste batterie possono essere un po’ più grandi e più pesanti, ma in alcuni campi di applicazione questo non importa.

Storicamente, dice Tapia-Ruiz, le batterie al sodio non sono state commercializzate anche a causa della loro instabilità chimica. Sebbene il sodio e il litio siano “vicini” sulla tavola periodica, con vari elementi e composti reagiscono in modo diverso.
Ciò significa che il passaggio al sodio richiede anche lo sviluppo di nuovi materiali per la costruzione del catodo e l’anodo della batteria, cioè gli elettrodi positivi e negativi che catturano e rilasciano ioni mentre la batteria viene caricata e poi esaurita.
Un problema è che le reazioni chimiche all’interno della batteria possono consumare l’elettrolito che si trova tra gli elettrodi, riducendo la durata della batteria o rischiando addirittura la produzione di sodio metallico, che può essere esplosivo.
Un’altra sfida è la costruzione di batterie al sodio ad alta densità di energia senza nichel.
Eliminare questo metallo è forse la sfida più grande per i ricercatori, “ma è la cosa giusta da fare per creare una tecnologia che sia sostenibile e molto green”, dice Tapia-Ruiz.

I pochi laboratori e startup che lavorano con il sodio hanno fatto dei progressi silenziosi negli ultimi decenni. Ad esempio Natron, una startup con sede in California, costruisce batterie al sodio principalmente per l’alimentazione di backup in strutture industriali e data center. L’azienda utilizza un materiale chiamato blu di Prussia come base per i suoi elettrodi, una variazione del primo pigmento sintetico utilizzato in dipinti iconici, tra cui Under the Great Wave Off Kanagawa.

Un vantaggio, secondo Jack Pouchet, vicepresidente vendite dell’azienda, è che “la nostra catena di approvvigionamento potrebbe essere locale”, dato che contiene degli elementi molto comuni come sodio, manganese e ferro.

Nastron spera che le sue batterie possano essere utilizzate per caricare rapidamente le auto elettriche e sta già procedendo con dei piani di installazione di tali dispositivi a San Diego.

In generale, la sicurezza delle batterie al sodio non è ancora perfetta e dipende dal design specifico della batteria. Tutto principalmente dipende del catodo e dall’elettrolita e per le batterie ad alta densità di energia eliminare i rischi di incendio risulta ancor di più complicato. Per questo motivo è necessario dare alla ricerca il tempo di cui necessita.

La batteria al sodio è paragonabile alle batterie al litio-ferro-fosfato o LFP, che sono sempre più popolari nelle auto di fascia media.
Wood Mackenzie, una società di consulenza che si concentra sulle risorse naturali, stima che la produzione di batterie al sodio costerà il 40% in meno rispetto alle batterie LFP, in gran parte grazie all’impiego di materiali economici.
L’azienda afferma comunque che il litio sicuramente rimarrà dominante negli anni a venire.

Tecnologie come il sodio e altre alternative al litio, che includono zinco e vanadio, sono anche un’opportunità per dei paesi come gli Stati Uniti, che mancano di una vasta industria delle batterie.

Meng e altri ricercatori della UC San Diego hanno recentemente lanciato un’iniziativa per mettere a punto tecniche di produzione per batterie al sodio a stato solido, una tecnologia di prossima generazione che sarebbe molto più sicura e più densa di energia rispetto alle batterie che ci sono attualmente.
Ricercatori e startup stanno lavorando senza sosta per commercializzare delle batterie al litio a stato solido e le versioni al sodio hanno ricevuto finanziamenti e attenzioni molto inferiori, il che ha rallentato lo sviluppo di questa tecnologia.

Articolo originale: https://www.wired.com/story/sodium-batteries-power-new-electric-car/

Redazione Fare Elettronica