Le batterie agli ioni di sodio (SIB, Sodium-Ion Batteries) stanno rapidamente riducendo parte del divario tecnologico che ancora le separa dalle più diffuse batterie agli ioni di litio. A confermarlo è una nuova revisione scientifica dedicata ai recenti progressi nei principali componenti delle celle e alle prospettive di sviluppo della tecnologia.
Lo studio, intitolato Recent advances and future perspectives on key components for sodium-ion batteries e pubblicato sulla rivista scientifica Energy Conversion and Management: X, è stato realizzato da ricercatori della University of South Africa, della Bahir Dar University in Etiopia e della Shanghai University in Cina.
Densità energetica fino a 200 Wh/kg
Uno degli aspetti più significativi riguarda proprio la densità energetica.
Secondo Ababay Ketema Worku, autore corrispondente dello studio, le attuali batterie sodio-ione presentano generalmente valori compresi tra 100 e 160 Wh/kg, mentre alcuni prototipi più avanzati stanno ormai avvicinandosi alla soglia dei 200 Wh/kg.
Un progresso attribuito soprattutto allo sviluppo di nuovi materiali per gli elettrodi e al miglioramento delle formulazioni degli elettroliti, capaci di aumentare la conducibilità ionica e la stabilità elettrochimica.
Si tratta di valori ancora generalmente inferiori rispetto alle batterie agli ioni di litio più performanti, ma che potrebbero ampliare sensibilmente il numero di applicazioni nelle quali la tecnologia al sodio può risultare competitiva.
Perché puntare sul sodio
Il principio di funzionamento delle batterie sodio-ione è simile a quello delle batterie al litio: durante i cicli di carica e scarica gli ioni di sodio si spostano tra catodo e anodo attraverso un elettrolita.
Uno dei principali vantaggi risiede però nella disponibilità della materia prima. Il sodio è abbondante e geograficamente molto più distribuito rispetto al litio, caratteristica che potrebbe contribuire alla realizzazione di sistemi di accumulo meno costosi e a catene di approvvigionamento maggiormente diversificate.
La crescente domanda di soluzioni di accumulo energetico economiche e sostenibili nei settori automotive, industriale e dello storage sta quindi alimentando l’interesse verso questa tecnologia.
Le batterie sodio-ione sono ancora in una fase relativamente giovane della loro evoluzione industriale, anche se dispositivi commerciali di prima generazione sono già arrivati sul mercato, soprattutto per applicazioni di mobilità leggera e accumulo stazionario.
I limiti ancora da superare
La diffusione delle SIB rimane tuttavia limitata da alcuni ostacoli tecnologici.
Tra i principali figurano una densità energetica mediamente inferiore e una vita ciclica più breve rispetto alle batterie agli ioni di litio. Una parte del problema deriva dalle maggiori dimensioni dello ione sodio, che sottopone i materiali degli elettrodi a stress meccanici più elevati durante i cicli di carica e scarica, accelerandone potenzialmente il degrado.
A questi aspetti si aggiungono tassi di autoscarica più elevati, filiere ancora poco sviluppate per la produzione di materiali battery-grade e processi industriali che devono essere ulteriormente ottimizzati, dalla formulazione degli slurry all’essiccazione degli elettrodi fino all’assemblaggio delle celle.
La buona stabilità termica delle batterie al sodio e la possibilità di sfruttare parte delle infrastrutture produttive già sviluppate per le celle al litio rappresentano comunque elementi favorevoli alla futura industrializzazione.
La ricerca punta su nuovi materiali
La revisione scientifica analizza cinque principali famiglie di materiali utilizzabili per gli anodi: materiali basati su leghe, materiali a intercalazione, materiali a conversione, materiali organici e materiali basati su MXene.
Gli anodi a base di carbonio, leghe e materiali organici mostrano buone caratteristiche in termini di stabilità ciclica e capacità di immagazzinare sodio, mentre i materiali a conversione possono offrire capacità teoriche particolarmente elevate.
Restano però problemi legati alle variazioni di volume durante i cicli, alla bassa conducibilità elettrica di alcuni materiali, all’instabilità delle interfacce e al degrado strutturale.
Per superarli, la ricerca sta lavorando su nuove architetture dei materiali, nanostrutturazione e formulazioni sempre più avanzate.
Storage e rinnovabili tra le applicazioni più promettenti
Secondo gli autori dello studio, proprio l’accumulo energetico potrebbe rappresentare uno dei principali mercati per le batterie sodio-ione.
Il costo potenzialmente inferiore e l’utilizzo di materie prime ampiamente disponibili rendono infatti questa tecnologia particolarmente interessante per il bilanciamento della rete elettrica, l’integrazione delle fonti rinnovabili e i sistemi di accumulo su larga scala.
Le SIB potrebbero inoltre trovare spazio nella mobilità elettrica, soprattutto nelle applicazioni nelle quali costo, sicurezza e disponibilità delle materie prime risultano più importanti della massima densità energetica possibile. Tra queste figurano veicoli elettrici destinati agli spostamenti urbani e, in particolare, mezzi elettrici a due e tre ruote.
I primi progetti pilota dedicati allo storage di rete stanno già mostrando le potenzialità della tecnologia per contribuire alla stabilizzazione delle reti e all’accumulo dell’energia prodotta da fonti rinnovabili.
La strada verso la commercializzazione
Per rendere le batterie sodio-ione realmente competitive su larga scala sarà comunque necessario intervenire sull’intero sistema cella.
Gli autori indicano come priorità lo sviluppo di catodi e anodi più stabili, elettroliti più sicuri e conduttivi e separatori caratterizzati da una maggiore stabilità termica e chimica.
Ma i progressi dovranno riguardare anche leganti, collettori di corrente, additivi conduttivi e solventi.
Il raggiungimento di densità energetiche prossime ai 200 Wh/kg nei prototipi più avanzati mostra però quanto rapidamente stia evolvendo la tecnologia. Più che sostituire completamente le batterie agli ioni di litio, le batterie sodio-ione potrebbero progressivamente affiancarle, conquistando soprattutto quei segmenti nei quali costo, disponibilità delle materie prime, sicurezza e sostenibilità pesano più della massima densità energetica.
