Perché le batterie agli ioni di sodio, che non prendono fuoco né esplodono, non hanno sostituito le batterie al litio?

Gli ioni di sodio stanno attirando l'attenzione in tutto il mondo, come alternativa agli ioni di litio, nelle batterie ricaricabili. Gli ioni di sodio sono eccellenti portatori di carica, come puoi vedere da questo semplice esperimento con una batteria ad acqua e cloruro di sodio.

I leader mondiali del settore delle batterie stanno puntando molto sulle batterie agli ioni di sodio come futura spina dorsale dell'energia industriale verde. Se si esamina la classifica dei 10 principali produttori mondiali di batterie agli ioni di sodio , si noterà che tra questi figurano anche i maggiori produttori di batterie agli ioni di litio.

Poiché le caratteristiche chimiche delle batterie agli ioni di sodio e agli ioni di litio sono simili, i produttori stanno sfruttando il know-how e le attrezzature di produzione consolidate per le batterie agli ioni di litio per sviluppare rapidamente le batterie agli ioni di sodio. Un buon esempio è la cinese Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), uno dei 10 principali produttori di batterie agli ioni di litio in Cina. CATL ha lanciato la sua prima generazione di batterie agli ioni di sodio con una densità energetica di 160 Wh/kg.

Poiché le batterie agli ioni di sodio sono più ingombranti rispetto alle equivalenti batterie agli ioni di litio, al momento non sono ideali per i veicoli elettrici. Pertanto, i produttori si stanno concentrando sul mercato dell'accumulo di energia, dove le dimensioni non sono un fattore determinante, mentre costi, prestazioni e catene di approvvigionamento sicure sono elementi chiave. Gli scienziati ritengono che le batterie agli ioni di sodio rappresentino la soluzione alla sfida dell'accumulo di energia rinnovabile.

In futuro, ci si aspetta che le batterie agli ioni di sodio diventino più leggere e potenti. Ciò significa che queste batterie diventeranno interessanti per il mercato dei veicoli elettrici. Tuttavia, si potrebbe notare che di recente il mercato dei veicoli elettrici non è stato particolarmente florido. A livello globale, il mercato dei veicoli elettrici ha subito una flessione a causa del loro costo elevato, della mancanza di infrastrutture di ricarica e, in molti casi, del ritiro degli incentivi fiscali. Inoltre, le batterie agli ioni di litio potrebbero essere soppiantate dalle celle a combustibile a idrogeno nel settore dei trasporti . Con le batterie agli ioni di litio limitate ad apparecchiature elettroniche di piccole dimensioni, la tecnologia agli ioni di sodio potrà affermarsi nel lungo termine.

Cos'è la batteria agli ioni di sodio?

Una batteria agli ioni di sodio è una batteria ricaricabile che utilizza ioni di sodio per trasportare la carica elettrica all'interno della batteria. Gli ioni di sodio si spostano tra l'anodo e il catodo, trasportando la corrente interna della cella, durante ogni ciclo di carica e scarica.

Come funziona una batteria agli ioni di sodio?

Nella Figura 1 è illustrato il principio di funzionamento di una batteria agli ioni di sodio. Le componenti principali della batteria sono:

• Un anodo, che è poroso elettrodo e contiene numerosi atomi di sodio ionizzabili sulla sua superficie;
• Un Catodo, che è anche un elettrodo poroso, con superficie sufficiente a ricevere gli ioni Sodio provenienti dall'Anodo;
• Un separatore poroso che impedisce il contatto fisico tra anodo e catodo, ma consente agli ioni di sodio di spostarsi tra anodo e catodo;
• Un elettrolita liquido contenente sali di sodio disciolti. IL elettrolito agisce come un serbatoio di ioni di sodio che avviano una corrente interna una volta creata una differenza di tensione tra gli elettrodi.

Nella Figura 1, le palline gialle rappresentano ioni di sodio caricati positivamente mentre le palline rosse rappresentano atomi di sodio neutri. Ogni atomo di sodio neutro diventa uno ione carico positivamente, quando un elettrone viene estratto dal suo guscio elettronico più esterno.

Pertanto, una volta applicata una tensione esterna tramite un caricabatterie o una batteria più grande, gli elettroni vengono estratti dagli atomi di sodio attaccati all'anodo. Questi elettroni fluiscono nel circuito esterno e raggiungono il catodo. Il catodo acquisisce potenziale negativo a causa dell'accumulo di elettroni.

Contemporaneamente, gli atomi di sodio nell'anodo, avendo perso un elettrone ciascuno, diventano ioni positivi e lasciano l'anodo. A causa della differenza di potenziale viaggiano attraverso l'elettrolita verso il catodo. Al catodo, gli ioni positivi di sodio vengono neutralizzati dagli elettroni che vi arrivano dal circuito esterno. Gli atomi di sodio neutri risultanti si parcheggiano al catodo durante la restante parte del ciclo di carica.

Quando viene collegato un carico esterno e la batteria si scarica, inizia il viaggio inverso per gli ioni di sodio parcheggiati al catodo. Gli ioni di sodio ritornano all'anodo attraverso l'elettrolita, mentre gli elettroni dal catodo viaggiano attraverso il carico esterno all'anodo. Una volta all'anodo, gli ioni sodio vengono neutralizzati dagli elettroni provenienti dal circuito esterno. Gli atomi neutri di Sodio si parcheggiano all'anodo durante il resto del ciclo di scarica. Pertanto, l'intera vita degli ioni di sodio in questo tipo di batteria ricaricabile viene spesa facendo la spola tra l'anodo e il catodo!

La massima densità di traffico di ioni sodio dipende dalle proprietà dell'elettrolita e dalla struttura dell'anodo e del catodo. Questi sono parametri importanti nella progettazione della batteria, poiché determinano la densità di energia e la corrente.

Applicazioni

Gli esperti ritengono che le applicazioni ideali per le batterie agli ioni di sodio siano quelle di accumulo di energia stazionaria nei settori delle energie rinnovabili e industriale . Il progetto NAIMA, nell'Unione Europea, si concentra sullo sviluppo di due configurazioni di celle agli ioni di sodio ecocompatibili e sicure per il settore dell'accumulo di energia.

Nel frattempo, in Cina è stata realizzata la prima implementazione commerciale al mondo di batterie agli ioni di sodio nel settore automobilistico. Una joint venture tra la cinese JAC e la tedesca Volkswagen ha lanciato un veicolo passeggeri a cinque posti alimentato da una batteria agli ioni di sodio da 25 kWh, con un'autonomia di 250 km.

Le batterie agli ioni di sodio sono prese in considerazione anche per i dispositivi elettronici personali , come computer portatili e telefoni cellulari. Sebbene più pesanti delle batterie agli ioni di litio, sono più economiche e sicure, due fattori importanti per i consumatori.

Un'altra applicazione delle batterie agli ioni di sodio è nei sistemi di alimentazione di emergenza, come ad esempio negli UPS di Natron Energy.

In che modo la batteria agli ioni di sodio cambia il gioco:

Le batterie agli ioni di sodio apporteranno molti vantaggi ai mercati delle batterie ricaricabili. Questi includono:

Maggiore sicurezza

Rispetto alle batterie agli ioni di litio, quelle agli ioni di sodio sono meno soggette a incendi. Le future generazioni di batterie agli ioni di sodio potrebbero utilizzare elettroliti allo stato solido, completamente esenti da questo rischio. Ad esempio, i ricercatori australiani hanno sviluppato un elettrolita polimerico solido non infiammabile , da utilizzare con le batterie agli ioni di sodio. Sono inoltre in fase di studio diverse altre strategie per mitigare i rischi termici delle batterie agli ioni di sodio, tra cui la selezione di materiali che ne migliorino la sicurezza.

Costo più basso

Il costo delle batterie agli ioni di sodio per kWh è inferiore a un terzo di quello delle batterie agli ioni di litio. Questo è dovuto al costo delle materie prime.

Minore rischio della catena di fornitura

A differenza del litio, che viene estratto e raffinato solo in alcuni paesi, il sodio è facilmente disponibile in tutto il mondo. Ciò riduce significativamente i rischi della catena di approvvigionamento delle materie prime.

Batteria agli ioni di sodio rispetto alla batteria agli ioni di litio

Come consumatore o investitore, se dovessi scegliere tra i due, quale strada sceglieresti? Come consumatore guarderesti ai vantaggi immediati e alle prestazioni, mentre come investitore guarderesti a problemi più ampi e a lungo termine.

Confrontiamo i due tipi di batterie in base ad alcuni parametri chiave, rilevanti sia per i consumatori che per gli investitori.

Batterie agli ioni di sodio: presente e futuro

Le batterie agli ioni di sodio hanno fatto il loro ingresso nel momento giusto, quando l’attenzione globale è focalizzata sulla decarbonizzazione dell’energia. Le batterie agli ioni di sodio di prima generazione hanno già dimostrato numerosi vantaggi rispetto agli ioni di litio, in particolare in termini di costi e parametri di sicurezza.

Tuttavia, l'attuale domanda di batterie ricaricabili è trainata dai veicoli elettrici e dai dispositivi elettronici personali, settori in cui le batterie al litio dominano il mercato. A causa della minore densità di potenza e del peso maggiore, sarà difficile per le batterie agli ioni di sodio competere con quelle di prima generazione. Pertanto, si stanno investendo molte risorse in ricerca e sviluppo per migliorare la densità di potenza delle batterie agli ioni di sodio. In effetti, una svolta potrebbe essere vicina, dato che CATL ha annunciato che la sua batteria agli ioni di sodio di prossima generazione raggiungerà i 200 kWh/kg . Il miglioramento della densità energetica a costi competitivi sarà una sfida continua per tutti i tipi di batterie. Ad esempio, CATL è ancora una volta all'avanguardia in questo campo, lavorando su una futuristica batteria a materia condensata al litio da 500 kWh/kg.

Nel medio termine, l’aumento degli investimenti nelle energie rinnovabili da parte dei paesi di tutto il mondo aumenterà la domanda di sistemi di accumulo dell’energia. I produttori di batterie agli ioni di sodio vedono questa come l’opzione migliore, una volta decollata.

Oltre all’energia e alla densità di potenza, la tecnologia delle batterie agli ioni di sodio continua a svilupparsi, per colmare il divario con la tecnologia agli ioni di litio. Gli scienziati stanno risolvendo i problemi legati al degrado dei materiali, sviluppando anodi, catodi ed elettroliti più economici e migliori, migliorando la sicurezza e la capacità di riciclo.

Dovranno ampliarsi anche le filiere delle batterie agli ioni di sodio, per le quali occorrerà fare i necessari investimenti.

In conclusione, le batterie agli ioni di sodio sono emerse come un serio concorrente delle loro controparti agli ioni di litio. Tuttavia, ci vorranno molti anni di sviluppo e di successo commerciale prima di poter affermare che le batterie agli ioni di sodio rappresentano il futuro dell’energia.