La tecnologia delle batterie agli ioni di sodio ha fatto progressi straordinari e si sta preparando a fornire una alternativa più ecologicamente sostenibile alle batterie agli ioni di litio. È quanto emerge da un articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Science. Dan Steingart, chimico delle batterie alla Columbia University, ha affermato: “i progressi sono stati sorprendenti“. Il sodio è ovunque, nell’acqua di mare e nelle miniere di sale, quindi la fornitura e il costo non sono un problema. Ma il metallo non è bravo a immagazzinare la carica elettrica come il litio perché i suoi ioni sono tre volte più grandi, il che ostacola la loro capacità di entrare e uscire dagli elettrodi delle batterie esistenti.
I laboratori di tutto il mondo stanno sviluppando nuovi materiali per elettrodi per risolvere questa lacuna e negli ultimi 6 mesi diversi gruppi hanno annunciato batterie al sodio che contengono la stessa energia delle celle al litio di fascia bassa. Ma le fasce di efficienza più alte non sono ancora state raggiunte.
Le batterie al sodio hanno faticato a raggiungere anche solo la metà della capacità di stoccaggio delle migliori batterie al litio, che contengono più di 300 wattora di energia per chilogrammo (Wh/kg). Per risolvere il problema, si stanno percorrendo diverse strade.
Carbonio duro
Ad esempio si sta tentando di cambiare la composizione dell’anodo. La maggior parte delle celle agli ioni di litio usa la grafite, una forma di carbonio la cui struttura a strati fitti tende a escludere gli ioni sodio. Molti ricercatori si sono rivolti a una forma alternativa di carbonio, chiamata carbonio duro, composta da un groviglio di particelle di carbonio che lascia pori in cui gli ioni sodio possono muoversi. Sfortunatamente, tutti quei pori riducono anche il volume di accumulo di energia di un anodo.
Ma i ricercatori hanno scoperto che aggiungere stagno all’anodo può aiutare. Quando stabilizzato su un supporto di carbonio, ogni atomo di stagno può legare fino a 3,75 ioni di sodio, aumentando la capacità di un anodo di trattenere sodio e quindi energia. Ad esempio, le batterie sviluppate dalla startup UNIGRID di San Diego contengono 170 Wh/kg. Sebbene questo rimanga inferiore ai 200 Wh/kg di una batteria al litio di fascia bassa, “sembra un risultato molto eccitante“, ha affermato Yan Yao, un esperto di batterie agli ioni di sodio presso l’Università di Houston.
Miscela NaVPO
Un altro miglioramento deriva dalla modifica della composizione del catodo caricato positivamente, solitamente costituito da ossidi metallici, per un migliore stoccaggio e flusso del sodio. Uno dei nuovi materiali più popolari è una miscela di sodio, vanadio, fosforo e ossigeno (NaVPO), che tende a formare una struttura a strati che consente agli atomi di sodio di entrare e uscire facilmente. Per ora, la densità energetica del NaVPO è moderata rispetto a quella dei catodi nelle celle al litio. Ma i ricercatori guidati da Pieremanuele Canepa, un chimico dell’Università di Houston, hanno recentemente utilizzato la modellazione al computer e la diffrazione dei raggi X per identificare una promettente modifica alla struttura cristallina del NaVPO.
In un rapporto pubblicato online il 23 ottobre 2024 su Nature Materials, Canepa e i suoi colleghi hanno riferito non solo di aver sintetizzato il nuovo materiale, ma anche di averlo incorporato in un catodo di batteria agli ioni di sodio che potrebbe contenere il 15% di energia in più rispetto ai precedenti progetti di NaVPO.
Composti organici
Un approccio più radicale è quello di realizzare catodi da composti organici, che possono anche formare strutture stratificate in grado di trattenere e rilasciare ioni sodio. Molti composti organici si decompongono in presenza degli elettroliti di una batteria, ma nel numero del 5 febbraio del Journal of the American Chemical Society, i ricercatori guidati da Mircea Dinc del Massachusetts Institute of Technology hanno riferito di aver creato un catodo organico stratificato più durevole, chiamato TAQ.
Il materiale non solo si è dimostrato stabile per migliaia di cicli di carica e scarica, ma la densità energetica del TAQ era tra le più alte di tutti i catodi agli ioni sodio mai realizzati. Come risultato di questi e altri progressi, l’interesse dell’industria per le batterie agli ioni di sodio è cresciuto notevolmente.
A novembre 2024, CATL, il più grande produttore di batterie al mondo in Cina, ha presentato la sua batteria agli ioni di sodio di seconda generazione, che sostiene contenga 200 Wh/kg, rispetto ai 160 Wh/kg delle sue celle di prima generazione. Nel frattempo, BYD, uno dei rivali di CATL, afferma che sta costruendo una fabbrica per produrre 30 gigawattora di batterie agli ioni di sodio all’anno entro il 2027, in parte per l’accumulo di energia rinnovabile.
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