Batterie al sodio: la tecnologia del futuro?

L’evoluzione tecnologica nel settore delle batterie è in continuo fermento e la ricerca di tecnologie sempre più efficienti e performanti, che possano portare un valore aggiunto al mercato, è sempre aperta.

Negli ultimi anni, le batterie agli ioni di sodio compaiono tra le chimiche che hanno attirato maggior interesse, in modo particolare per un aspetto economico.

Ne abbiamo parlato nella puntata 20 della nostra Battery Weekly 2023, la nostra rubrica settimanale di informazione sul mondo delle batterie, dove i nostri esperti di elettrificazione Marco Righi, Alan Pastorelli e Daniele Invernizzi hanno analizzato i forti trend di crescita che stanno caratterizzando le batterie al sodio e i limiti che ad oggi ne impediscono la diffusione su larga scala.

Se da un lato la diffusione delle batterie agli ioni di sodio si stima in forte crescita, sia nel campo dell’energy storage che della mobilità elettrica, è importante sottolineare che queste batterie presentano ancora alcuni limiti da risolvere prima di poter essere commercializzate per un ampio range di applicazioni.

Scopriamo insieme cosa sono le batterie al sodio e quali sono le loro caratteristiche.

Cosa sono le batterie al sodio e come funzionano: somiglianze e differenze con le batterie al litio?

Il sodio, come il litio, è un metallo alcalino e, come il litio, si trova nel primo gruppo della tavola periodica.

Osservando la tavola periodica è possibile notare che i due metalli si trovano esattamente l’uno sotto l’altro nella prima colonna e per questo motivo condividono alcune caratteristiche chimico-fisiche.

Proprio per la somiglianza di alcune proprietà, tra il 1970 e il 1990, i primi studi sulle batterie al sodio furono effettuati in contemporanea a quelli riguardanti le batterie al litio, con la differenza che le batterie al litio ebbero maggiore successo e vennero commercializzate lasciando in sospeso possibili eventuali sviluppi del sodio.

Cosa hanno in comune le batterie al sodio e le batterie al litio?

Il principio di funzionamento delle batterie sodio ione e delle batterie litio ione è praticamente identico e molti dei materiali elettrodici che si utilizzano nella tecnologia sodio-ione sono stati presi in prestito dalla tecnologia litio ione.

In entrambe le tecnologie, infatti, sono gli ioni i responsabili del trasporto e dell’immagazzinamento dell’energia. Gli ioni di sodio migrano dall’elettrodo positivo, il catodo, a quello negativo, l’anodo, attraverso l’elettrolita ed il separatore trasportati dalla corrente elettrica durante la fase di carica. Il processo di scarica vede gli ioni ritornare verso il catodo e un flusso di elettroni – cioè corrente elettrica – scorrere nel circuito esterno in senso inverso rispetto alla carica.

Il catodo è il polo positivo della batteria costituito da materiale catodico (es. LFP, NMC) e collettore di corrente, mentre l’anodo, è il polo negativo della batteria composto da materiale anodico (es. carbonio o grafite) e collettore di corrente.

Una cella al sodio è formata, fondamentalmente, da un catodo composto da un materiale capace di contenere sodio, un anodo generalmente costituito da carbonio e un elettrolita liquido contenente atomi di sodio in forma ionica. L’elettrolita è il liquido organico che riempie il volume interno della cella, facendo da anello di congiunzione tra catodo e anodo e permettendo agli ioni di muoversi.

Immagine tratta dal testo di Daniel, C.; Besenhard, J.O. “Handbook of Battery Materials”

Quali sono le differenze tra batterie al sodio e le batterie al litio?

Da un punto di vista puramente chimico, ci sono alcune sostanziali differenze tra i due elementi: il catione di sodio ha un raggio atomico 0.3 Å, più grande del corrispettivo litio. Questo significa che ha un peso atomico ed una massa oltre a 3 volte maggiore rispetto a quella del litio.

Questa caratteristica comporta notevoli problemi tecnici da risolvere: la massa dell’atomo di sodio, 3 volte maggiore a quella del litio, muovendosi tra anodo e catodo, crea uno stress meccanico maggiore che si traduce in alto degrado della cella.

La conseguenza che ne deriva è che le batterie al sodio hanno una cycle-life ridotta e sono meno performanti rispetto alle batterie al litio, poiché la grafite, l’anodo più comunemente utilizzato con i litio, interagendo con lo ione di sodio, subisce reazioni irreversibili di esfoliazione distruggendosi dopo pochi cicli di vita.

Uno degli aspetti che risultano più complessi per la buona riuscita di una batteria al sodio è, dunque, l’identificazione di un elettrodo negativo idoneo, che sostituisca la grafite e che permetta, in relazione con il sodio, di aumentare i cicli di vita della batteria.

Lo ione di sodio ha inoltre un potenziale standard di riduzione più basso rispetto al litio, ovvero una tendenza minore ad acquisire elettroni. Di conseguenza, una batteria al sodio potrà fornire un voltaggio massimo inferiore rispetto ad una batteria al litio: il voltaggio nominale della cella al sodio è di 2,3 – 2,5V rispetto ai 3,2 – 3,7V del litio. Se consideriamo che i processi elettrochimici che avvengono all’interno delle batterie agli ioni di sodio e agli ioni di litio sono i medesimi, sia il sodio che il litio trasportano la stessa carica ma, a parità di peso, una batteria di sodio potrà trasportare meno carica di una al litio, ovvero avrà una densità energetica inferiore.

La combinazione di queste due caratteristiche fa sì che la quantità di energia che può contenere una batteria al sodio sia circa il 40% in meno rispetto di una batteria al litio.

Pro e contro delle batterie al sodio 

La rinnovata attenzione nei confronti delle batterie al sodio è dovuta soprattutto alla necessità di ricercare alternative concrete al litio, in tutte quelle applicazioni in cui è possibile differenziare una parte di produzione.

Il litio, infatti, pur essendo presente in natura in molte rocce e in alcune salamoie, non è inesauribile sulla crosta terrestre e, in aggiunta, l’estrazione comporta l’impiego di risorse ed energia.

La grande richiesta di questo materiale, combinato con la sua disponibilità limitata in natura, ha portato ad un aumento dei costi della materia prima, tanto da fargli guadagnare il titolo di “oro bianco”. Guardando al futuro, la domanda delle batterie al litio è destinata ad aumentare, ponendo concreti interrogativi sulla reperibilità delle materie prime e sulla sostenibilità di un’economia basata esclusivamente su questa chimica.

Ovviamente, ottenere le migliori prestazioni, tenendo conto dell’applicazione a cui le tecnologie sono destinate, è un aspetto non trascurabile nel processo di ricerca di chimiche alternative.

Le batterie al sodio possono davvero costituire un’alternativa percorribile al litio? Analizziamo più nel dettaglio i pro e i contro delle batterie al sodio.

Vantaggi di una batteria al sodio

• Facile reperibilità
• Costo contenuto
• Sicurezza
• Resistenza alle basse temperature
• Basso impatto ambientale

Tra gli aspetti più interessanti di questa tecnologia, si evidenzia l’ampia disponibilità in natura delle materie prime di cui è composta: il sodio è, infatti, il sesto elemento più abbondante sulla crosta terrestre. Questa caratteristica rende le batterie al sodio competitive dal punto di vista economico, un aspetto importante per i produttori.

La batteria al sodio garantisce, poi, elevati standard di sicurezza, in quanto le celle basate su questo elemento chimico non sono infiammabili e non sono soggette a esplosioni o cortocircuiti. Queste batterie inoltre riescono a sopportare temperature rigide con la possibilità di operare in un intervallo di temperature che va da −20 a 60 °C, mentre quello ottimale per le celle al litio si colloca in un range operativo tra 0° e 50°.

La facilità di reperire la materia prima in natura, con ridotti costi di estrazione e limitato utilizzo di energia rende, infine, il sodio un materiale a basso impatto ambientale.

I limiti di una batteria al sodio

• Bassa densità energetica
• Breve ciclo vita

Uno dei principali svantaggi delle batterie al sodio è costituito dalla densità energetica, ovvero la quantità di energia accumulata rispetto al volume della batteria: le batterie al sodio continuano ad avere una densità piuttosto bassa, tra i 140 Wh/Kg -160 Wh/kg, contro i 180 Wh/Kg – 250 Wh/Kg delle batterie litio-ione.

Un altro aspetto molto impattante nella scelta delle batterie al sodio è, attualmente, la breve durata dei cicli di vita. Questo rapido degrado è causato dalla massa degli ioni di sodio, che è circa 3 volte maggiore rispetto a quella degli ioni di litio. Nello spostamento tra anodo e catodo, gli ioni di sodio producono un maggiore stress meccanico, portando alla rapida distruzione (dopo pochi cicli) della grafite, il materiale anodico.

Principali applicazioni: dove è vantaggioso utilizzare una batteria al sodio? 

Le batterie al sodio potrebbero risultare un’alternativa alle batterie al litio in applicazioni in cui il fattore economico ha un’importanza maggiore rispetto alle elevate prestazioni.

In particolare, i costi ridotti e la bassa densità energetica rendono le batterie agli ioni di sodio particolarmente indicate per applicazioni stazionarie e sistemi di stoccaggio energetico, come impianti fotovoltaici ed eolici con produzione intermittente. L’alto grado di sicurezza dei dispostivi Na-ion, infatti, le rende adatte per questo tipo di applicazioni che necessitano frequenti cicli di carica e scarica orari e giornalieri.

Attualmente la tecnologia agli ioni di sodio non è particolarmente diffusa in questo ambito a causa della ridotta cycle-life, che non riesce a soddisfare il bisogno di un numero elevato di cicli di carica e scarica che queste applicazioni richiedono. Se, con lo sviluppo della ricerca, le celle al sodio diventassero competitive anche sul fronte della durata dei cicli di vita, potrebbero senz’altro essere una valida tecnologia da utilizzare per le applicazioni stazionarie.

Quali sono le prospettive future per la tecnologia agli ioni di sodio?

Secondo le previsioni, il mercato delle batterie agli ioni di sodio è destinato a crescere ad un ritmo del 27% all’anno nei prossimi 10 anni. Si presume che la produzione annuale passerà dai 10 GWh nel 2025 ai circa 70 GWh del 2033 registrando un aumento praticamente del 600%.

La diffusione della tecnologia agli ioni di sodio potrebbe essere favorita ulteriormente dal fatto che molte delle tecnologie di produzione delle celle al sodio sono in comune con quelle delle celle agli ioni di litio, dando la possibilità di convertire gli impianti e limitando ulteriormente i costi di produzione.

Nonostante le batterie agli ioni di sodio presentino alcuni limiti da risolvere, è sempre maggiore l’interesse che questi accumulatori suscitano nel mondo dell’elettrificazione, tanto che anche alcuni importanti attori internazionali nell’ambito della produzione di celle e batterie hanno rivolto la loro attenzione a questa tecnologia.

In particolare, è il settore dell’automotive a guardare con curiosità alle batterie al sodio.

La chimica agli ioni di sodio è stata riportata sotto i riflettori nel 2021 da CATL, il più grande produttore mondiale di batterie agli ioni di litio per autoveicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, che l’ha presentata come una delle tecnologie emergenti su cui avrebbe investito per differenziare la propria produzione.

Il colosso cinese ha infatti intuito che, sostituire una fetta del mercato occupato dalle batterie agli ioni di litio con quelle con gli ioni di sodio avrebbe vantaggi consistenti nella diminuzione del prezzo delle batterie al litio.

L’idea innovativa di CATL, sviluppata per oltrepassare i limiti che le batterie al sodio presentano, sarebbe quella di sviluppare un pacco batterie ibrido, che consiste nel mescolare e abbinare batterie agli ioni di sodio e batterie agli ioni di litio in una certa proporzione, integrandole in un unico sistema di batterie e controllando i diversi sistemi di batterie attraverso un BMS intelligente. Il veicolo potrebbe sfruttare le prestazioni a bassa temperatura della batteria agli ioni di sodio o l’alta densità energetica, a seconda delle esigenze. Il progetto è ancora in fase sperimentale, ma l’azienda cinese ha già catturato l’attenzione dell’intera industria di settore.

Nonostante alcune criticità ancora da risolvere, la tecnologia agli ioni di sodio si sta, quindi, ritagliando uno spazio sempre più rilevante sul mercato. Come sta avvenendo per altre tecnologie emergenti, come ad esempio quella delle batterie allo stato solido, l’ambito della ricerca è in continuo fermento e sta investendo grandi risorse per poter oltrepassare i limiti che, ad oggi, ne impediscono la diffusione su larga scala. L’introduzione di questa tecnologia sul mercato potrebbe portare vantaggi concreti a tutti quei settori, come l’energy storage, in cui la densità energetica viene in secondo piano rispetto al fattore economico e che, al momento, dipendono esclusivamente dalle batterie al litio.