Nuovi progressi nelle batterie al sodio, alternativa al litio

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Si fa strada una tecnologia in via di maturazione che in futuro potrà sicuramente affiancarsi e forse un giorno soppiantare quella delle batterie al Litio in una vasta serie di impieghi. Si tratta delle batterie al Sodio, allo studio da tempo e in tante formulazioni alternative che per molti versi sono simili a quelle al Litio, specie in virtù della affinità chimica che caratterizza il Sodio e il Litio, tanto da essere considerate a volte una la possibile evoluzione dell’altra.

Le tante analogie tra Sodio e Litio

Entrambi metalli alcalini, nella tabella periodica degli elementi occupano la colonna IA, con il Sodio immediatamente sotto al Litio; entrambi solidi a temperatura ambiente, monovalenti, fortemente reattivi (specie il Sodio) con valori di elettronegatività ed energia di prima ionizzazione molto simili, differiscono però marcatamente per la loro abbondanza nella crosta terrestre (circa il 2.6% per il Sodio – il sesto elemento più abbondante – ma circa 1.000 volte meno per il Litio) e negli oceani (circa 1% per il Sodio ma circa 50000 volte meno per il Litio), e di conseguenza anche per il costo di produzione: secondo dati del 1997, un kg di sodio metallico costava 30-40 centesimi di dollaro, contro 136 dollari per il litio metallico. Anche se la forte domanda di Litio ha stimolato investimenti che hanno portato ad un aumento della produzione con conseguente calo dei prezzi, il Litio metallico rimane vari ordini di grandezza più costoso del Sodio e la situazione non potrà cambiare in modo sostanziale.

Si lavora su conduttività e durabilità

Sebbene siano chimicamente affini, nelle batterie in cui si impiega il Sodio anzichè il Litio l’elettrolita è tipicamente solido nel caso del Sodio. Le ricerche si sono concentrate sul problema di rendere un elettrolita solido (e a base di Sodio) almeno altrettanto conduttivo quanto un più convenzionale elettrolita liquido (e a base di Litio). Un altro problema da risolvere è quello della durabilità, in termini di numero di cicli di carica/scarica sopportabili prima che le prestazioni degradino in modo significativo.

Recenti lavori pubblicati su Joule e su Advanced Science da gruppi di ricerca americani e coreani indicano che soluzioni a questi problemi, in particolare al secondo, esistono, e passano attraverso particolari formulazioni (o forme di lavorazione) sia dell’elettrolita sia dell’elettrodo. Tuttavia gli studi hanno esplorato direzioni differenti giungendo a risultati per certi versi contradditori, segno che il campo delle opzioni da esplorare è ancora vasto e forse nuovi significativi progressi ci attendono.

In particolare, secondo un primo studio in batterie al sodio l’uso di elettrodi a base di solfuro di rame consentirebbe una vita d’esercizio di 5 anni con cicli anche quotidiani di carica/scarica, molto meglio che con elettrodi a base di grafite. Questo per la migliore capacità dei nuovi elettrodi di mantenere stabile la propria struttura microcristallina nonostante lo stress causato dalle reazioni che avvengono durante il funzionamento dell’accumulatore. Non solo, ma la nuova formulazione consentirebbe di ridurre o eliminare l’utilizzo del cobalto (la cui estrazione e produzione, come è noto, è concentrata in Paesi spesso caratterizzati da condizioni di lavoro a dir poco preoccupanti).

Per contro, il secondo studio rivela che anche elettrodi basati su particolari sostanze organiche hanno esibito ottime prestazioni riguardo allo stesso problema: quello della stabilità meccanica microstrutturale, e della bassa resistività di contatto, dell’interfaccia fra elettrolita (che nelle batterie al Sodio è generalmente solido) ed elettrodo.

Alcuni commentatori hanno stimato che nel campo delle batterie al Sodio ci troviamo a uno stadio evolutivo paragonabile a quello delle batterie al Litio 10 anni fa. Forse non hanno tenuto conto dell’enorme e crescente interesse che circonda il problema degli accumulatori per autotrazione o per parchi accumulo energia inseriti nelle reti elettriche nazionali.

Non ci stupiremmo che la velocità della ricerca di oggi superasse, e di molto, quella della ricerca di 10 anni fa, e che in un tempo non lungo le batterie al Sodio diventassero una concreta alternativa a quelle al Litio almeno per una prima serie di applicazioni non estreme. Dopo, si vedrà. Probabilmente le batterie elettrochimiche sigillate (qualunque formulazione abbiano) se la giocheranno con le flow cell, con le fuel cell, o con gli ultracondensatori del futuro.

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