Batterie agli ioni di sodio: ecco l’alternativa per energia ed emobility

Avanzano le batterie agli ioni di sodio sia per l’energy storage sia per la mobilità elettrica. Nell’emobility è recente la notizia del produttore di batterie Hina Battery che ha presentato tre batterie na-ion e ha annunciato una partnership con la casa automobilistica cinese JAC. Hina Battery e Sehol – joint venture tra JAC e Volkswagen Anhui – hanno costruito insieme un prototipo di auto con batterie agli ioni di sodio per testarle.

Il mercato delle batterie è da tempo in fermento: le batterie agli ioni di litio rappresentano la tecnologia elettrochimica più efficiente e diffusa. Tuttavia si cercano alternative più economiche e sostenibili e il sodio appare la più promettente. Già diverse grosse realtà ci stanno lavorando: il colosso cinese CATL – il più grande produttore di batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici al mondo, detentore di un terzo del mercato mondiale specifico – ha fatto sapere già da fine 2022 che quest’anno le sue batterie agli ioni di sodio saranno industrializzate.

Inoltre, le voci – pur se smentite ufficialmente – sulla casa automobilistica cinese BYD che intenderebbe lanciare quest’anno una batteria agli ioni di sodio sulla sua berlina entry level fanno capire quanto sia alto l’interesse su questa tecnologia. Tale attenzione è confermata dalle stime della società di ricerca Wood Mackenzie, secondo cui quest’anno il mercato delle batterie agli ioni di sodio sembra destinato a raggiungere livelli di produzione “su scala GWh”. Inoltre prevede una capacità produttiva prossima ai 40 GWh entro il 2030, stima che potrebbe crescere di altri 100 GWh se le celle agli ioni di Na avranno successo entro i prossimi due anni.

Perché puntare sulle batterie agli ioni di sodio

Quali sono i motivi che sospingono la crescita delle batterie agli ioni di sodio? Diversi. Le batterie Na-ion scontano una minore densità energetica e un ciclo di vita più breve. Tuttavia, sono considerate più sicure e offrono prestazioni migliori in un intervallo di temperature più ampio.

Il sodio potrebbe diventare interessante per un motivo strettamente economico. Il litio «è diventato così prezioso da essere spesso chiamato oro bianco», rammenta il New York Times, malgrado negli ultimi tempi il suo prezzo sia diminuito. La grande richiesta unita alla sua scarsa disponibilità ha fatto lievitare i costi. Lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio per applicazioni su larga scala è limitato dal fatto che il litio non sia abbondante sulla crosta terrestre.

Pur essendo presente in natura in molte rocce e in alcune salamoie, può comunque considerarsi un elemento raro. «Il litio infatti costituisce solo lo 0,002% della crosta terrestre ed appare solo 33° nella scala delle abbondanze relative degli elementi», sottolineano in uno studio Pier Paolo Prosini, Maria Carewska e Cinzia Cento, dell’ENEA.

Il sodio, invece, è molto abbondante; per la precisione, è il sesto elemento più abbondante sulla Terra. Questo aspetto lo rende molto interessante, dato che le materie prime giocano un ruolo fondamentale non solo nelle prestazioni delle batterie, ma anche in termini di costi. Nelle celle litio-ferro-fosfato, per esempio, i materiali rappresentano il 30% dei prezzi delle batterie.

A questo proposito Wood Mackenzie scrive che:

“Il costo del pacco inferiore di una batteria Na-Ion sarà uno dei motivi principali per sostituire le batterie agli ioni di sodio per le applicazioni in cui vengono usate quelle agli ioni di litio. La produzione utilizza gli stessi processi utilizzati nelle gigafabbriche Li-Ion, quindi la capacità di produzione potrebbe aumentare rapidamente.”

Opportunità e vincoli delle batterie Na-Ion

Le batterie agli ioni di sodio – prosegue Wood Mackenzie – potrebbe essere particolarmente interessante per il mercato dei sistemi di energy storage. La tecnologia Na-Ion garantisce una maggiore sicurezza e una maggiore durata, fattori ideali per il settore dello stoccaggio stazionario, in particolare con requisiti per cicli di carica/scarica giornalieri o orari e requisiti meno rigorosi per unità di massa e volume ridotte.

Sull’emobility, le batterie al sodio scontano un maggiore peso e una minore autonomia. La ricerca migliorerà questi aspetti, ma intanto potrebbero aprirsi condizioni applicative sui veicoli a due e tre ruote con autonomia ridotta, “mentre l’elevata capacità di potenza di Na-ion potrebbe essere più appropriata per applicazioni pesanti”.

Ossigeno e lignina: l’altro volto sostenibile delle batterie del futuro

Oltre alle batterie agli ioni di sodio, la ricerca sonda altre opportunità. Tra queste va segnalato il lavoro svolto dal team di scienziati dell’università tecnica austriaca TU Wien: essi hanno sviluppato una batteria agli ioni di ossigeno. Una domanda di brevetto per la nuova idea di batteria è già stata depositata insieme a partner spagnoli.

Potrebbe essere un’idea rivoluzionaria: da quanto spiegano gli stessi ricercatori autori della scoperta, le batterie agli ioni di ossigeno possono essere prodotte senza elementi rari e realizzate con materiali incombustibili. “La batteria agli ioni di ossigeno potrebbe essere un’ottima soluzione per grandi sistemi di accumulo di energia, come quella elettrica da fonti rinnovabili”.

Sebbene non consenta densità di energia così elevate come la batteria agli ioni di litio, la sua capacità di accumulo non diminuisce nel tempo.

I materiali ceramici studiati dal team dell’istituto austriaco possono assorbire e rilasciare ioni di ossigeno a doppia carica negativa. Quando viene applicata una tensione elettrica, gli ioni ossigeno migrano da un materiale ceramico all’altro, dopodiché possono essere fatti migrare nuovamente indietro, generando corrente elettrica.

Come ha spiegato Jürgen Fleig, docente di elettrochimica e autore dello studio, «Il principio di base è in realtà molto simile alla batteria agli ioni di litio», ma la ceramica adottata non è infiammabile, quindi i rischi di incendio, possibili con le batterie agli ioni di litio, sono praticamente esclusi. Ma il punto forte della batteria a ossigeno è la sua potenziale longevità: essa può essere rigenerata senza problemi. Se l’ossigeno viene perso a causa di reazioni collaterali, la perdita può essere semplicemente compensata da quello presente nell’aria.

C’è poi un altro elemento naturale allo studio per rendere le batterie sostenibili: la lignina. È un polimero naturale presente nel legno (un terzo di esso è formato da questo ingrediente, per il resto è composto da cellulosa). Stora Enso, colosso finlandese specializzato in prodotti a base legno come imballaggi, biomateriali e costruzioni, ha brevettato la tecnologia Lignode, basata sul polimero naturale. Nel processo messo a punto la lignina viene separata dal legno durante la produzione di fibre di cellulosa e poi raffinata in una polvere fine, che funge da materiale attivo per il catodo della batteria agli ioni di litio. L’interesse verso questa tecnologia è tale che Northvolt ha voluto stringere una collaborazione con l’obiettivo di sviluppare batterie a base di legno.

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