Cosa sono le batterie agli ioni di sodio e potrebbero sostituire il litio?

Due batterie ricaricabili agli ioni di sodio in cima a un mucchio di sale. — gcarnero/Shutterstock.com

Le batterie agli ioni di sodio (Na-ioni) utilizzano ioni di sodio anziché ioni di litio per immagazzinare e fornire energia. Il sodio è molto più abbondante ed ecologico del litio, ma ci sono ancora diverse sfide da affrontare per rendere le batterie agli ioni di sodio il nuovo campione di batterie.

Le batterie stanno diventando cruciali per la vita di tutti i giorni e chiunque abbia una batteria migliore ha il mondo su un piatto da portata. Le batterie agli ioni di sodio sono le principali contendenti alla corona detenuta dalle batterie agli ioni di litio, ma cosa le rende esattamente speciali?

Cos’è una batteria agli ioni di sodio?

Le batterie agli ioni di sodio sono batterie che utilizzano ioni di sodio (minuscole particelle con una carica positiva) anziché ioni di litio per immagazzinare e rilasciare energia. Le batterie agli ioni di sodio hanno iniziato a mostrare fattibilità commerciale negli anni ’90 come possibile alternativa alle batterie agli ioni di litio, del tipo comunemente usato nei telefoni e nelle auto elettriche.

Come funzionano le batterie agli ioni di sodio

Le batterie agli ioni di sodio, chiamate anche batterie agli ioni di Na, utilizzano una reazione chimica per immagazzinare e rilasciare energia elettrica. Come tutte le batterie, hanno due elettrodi (un elettrodo positivo e uno negativo) separati da un elettrolita, che è una sostanza speciale che consente agli ioni (minuscole particelle con carica positiva o negativa) di muoversi tra gli elettrodi.

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Le batterie agli ioni di sodio funzionano in modo simile alle batterie agli ioni di litio, ma utilizzano ioni di sodio anziché ioni di litio. La scelta dei materiali per gli elettrodi e gli elettroliti può influire sulle prestazioni e sulla durata della batteria, quindi i ricercatori sperimentano costantemente diverse combinazioni per trovare la migliore combinazione di costo, prestazioni e sicurezza. Generalmente, il catodo (l’elettrodo negativo) e l’elettrolita contengono sodio.

Cosa rende eccezionali le batterie agli ioni di sodio?

Le batterie agli ioni di litio dominano il posatoio al momento e ci sono molte ricerche per renderle ancora migliori di quanto non siano adesso. Tuttavia, le batterie agli ioni di sodio presentano alcuni vantaggi distinti rispetto a loro.

Il sodio è un elemento molto più abbondante del litio, rendendolo più facile ed economico da ottenere. Ciò potrebbe rendere le batterie agli ioni di sodio meno costose da produrre rispetto alle batterie agli ioni di litio e più rispettose dell’ambiente!
Le batterie agli ioni di sodio hanno il potenziale per offrire una densità di energia simile a quella delle batterie agli ioni di litio, rendendole adatte a un’ampia gamma di applicazioni simili, anche se non sono ancora disponibili.
Le batterie agli ioni di sodio sono generalmente considerate più sicure delle batterie agli ioni di litio, poiché sono meno soggette a surriscaldamento e incendio. Sebbene diverse batterie al litio sperimentali abbiano mostrato un’incredibile resistenza ai danni che farebbero esplodere le batterie attuali.

Gli svantaggi delle batterie agli ioni di sodio

Non esiste una tecnologia perfetta per le batterie e ci sono alcuni motivi per cui le batterie agli ioni di sodio non hanno ancora preso il posto del litio.

Le batterie agli ioni di sodio hanno una tensione inferiore (2,5 V) rispetto alle batterie agli ioni di litio (3,7 V), il che significa che potrebbero non essere adatte per applicazioni ad alta potenza che richiedono molta energia per essere erogate rapidamente.
Hanno una velocità di carica/scarica più lenta rispetto alle batterie agli ioni di litio, che potrebbero non essere adatte per applicazioni che richiedono un’erogazione rapida di molta potenza (come i veicoli elettrici).
Le batterie agli ioni di sodio hanno ancora cicli di carica limitati prima che la batteria inizi a degradarsi e alcune composizioni chimiche delle batterie agli ioni di litio (come LiFeP04) possono raggiungere i 10.000 cicli prima di degradarsi.

A parte questi pro e contro tecnici, la catena di produzione delle batterie agli ioni di sodio ha ancora qualche nodo da risolvere prima che possa diventare un prodotto commerciale diffuso. Per non parlare del fatto che ingegneri e scienziati stanno lavorando a soluzioni per i rimanenti punti deboli di questa tecnologia delle batterie.

Il potenziale presente e futuro delle batterie agli ioni di sodio

Ricercatori e aziende di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare le prestazioni e la fattibilità commerciale delle batterie agli ioni di sodio. Alcune aree chiave di interesse includono il miglioramento della densità energetica e della tensione delle batterie agli ioni di sodio, nonché l’aumento della loro durata e velocità di carica/scarica.

Se questi sforzi avranno successo, le batterie agli ioni di sodio potrebbero diventare una valida alternativa alle batterie agli ioni di litio in futuro. Potrebbero potenzialmente essere utilizzati in varie applicazioni, tra cui elettronica portatile, veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia fissi.

IMPARENTATOQuanto durano effettivamente le batterie delle auto elettriche?

Nel 2022, i ricercatori del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno compiuto un importante passo avanti nel migliorare la durata delle batterie agli ioni di sodio. Modificando parte della composizione chimica della batteria, il prototipo delle batterie delle dimensioni di una moneta è durato oltre 300 cicli mantenendo una capacità superiore al 90%. Tuttavia, anche senza questo nuovo approccio alla chimica, sembra che le batterie agli ioni di sodio stiano comunque per raggiungere la produzione di massa.

La produzione di massa di ioni di sodio è già iniziata

Nel dicembre del 2022 è stato riferito che una società denominata HiNa in collaborazione con la China Three Gorges Corporation, di proprietà statale cinese, aveva avviato la produzione in serie di batterie agli ioni di sodio. La prima generazione di batterie HiNa offre valori di densità energetica di 125 Wh/kg, che è circa la metà di quella delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, queste batterie sono classificate per circa 4500 cicli di carica, che è molto più delle tipiche batterie agli ioni di litio.

Le tipiche batterie al litio ferro fosfato offrono densità di energia simili alle batterie agli ioni di sodio e anche il numero nominale di cicli di carica è simile. Ciò pone le batterie agli ioni di sodio in diretta concorrenza con queste batterie per applicazioni come l’alimentazione dell’inverter di riserva o i veicoli elettrici.

La prossima generazione di queste batterie HiNa dovrebbe avere una densità energetica di 200 Wh/kg, e le generazioni successive dovrebbero superarla. Considerando che alcune auto elettriche che utilizzano batterie al litio hanno una densità di energia inferiore a 250 Wh/kg, queste prime batterie agli ioni di sodio prodotte in serie hanno un serio potenziale per ridurre il costo dell’accumulo di energia.

Tuttavia, proprio come le batterie LiFeP04, non aspettarti questa tecnologia nel tuo smartphone o laptop in tempi brevi. In questi piccoli dispositivi, la densità energetica è ancora la considerazione più importante. Tuttavia, non sorprenderti se la tua auto elettrica o il tuo sistema di batterie a energia solare diventeranno un po ‘più salate nel prossimo futuro.