Energia
Le batterie allo stato solido al sodio senza anodo potrebbero ridurre la dipendenza dal ‘Triangolo del Litio’
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Diversi approcci alla progettazione delle batterie
I produttori cercano tecnologie migliori per i veicoli elettrici e l’accumulo stazionario. Costi, densità energetica, durata e sicurezza rappresentano compromessi diversi per ciascuna applicazione.
Le batterie agli ioni di litio dominano molti mercati, ma vengono studiate alternative per diversificare le materie prime e migliorare alcune prestazioni. Non tutte le chimiche al litio richiedono metalli rari, cobalto o nichel.
Fonte: Research Gate
Le batterie agli ioni di sodio usano sodio al posto del litio come specie mobile. In genere hanno una densità energetica inferiore, ma possono offrire vantaggi di costo e disponibilità dei materiali.
Le batterie allo stato solido sostituiscono l’elettrolita liquido con uno solido: non eliminano l’elettrolita. Possono consentire nuove architetture, ma ricarica rapida e maggiore densità non sono garantite per ogni progetto.
Le architetture senza anodo, invece, eliminano il materiale attivo anodico preinstallato. Durante la carica il metallo si deposita sul collettore di corrente, formando l’elettrodo necessario al funzionamento.
Uno studio del 2024 ha combinato sodio, elettrolita solido e architettura senza anodo in un prototipo di laboratorio.
Batteria allo Stato Solido al Sodio senza Anodo
Nel lavoro pubblicato su Nature Energy con il titolo ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery”, ricercatori dell’Università di Chicago e della University of California, San Diego hanno descritto i principi di questa combinazione.
Batteria al Sodio
Il sodio è molto più abbondante del litio nella crosta terrestre ed è presente nell’acqua marina. L’abbondanza dell’elemento non elimina i costi per ottenere materiali di purezza adatta alle batterie. Il litio presenta alcune sfide:
- Il prezzo può variare significativamente e incidere sul costo delle celle.
- L’estrazione e la lavorazione possono avere impatti ambientali, differenti secondo il giacimento e il processo.
- La concentrazione geografica di alcune fasi della filiera crea rischi di approvvigionamento.
La disponibilità del sodio può ridurre alcuni vincoli sulle materie prime, ma non garantisce prezzi stabili o assenza di carenze. La minore densità energetica può limitarne l’impiego dove peso e autonomia sono prioritari, mentre altre applicazioni possono valorizzarne i vantaggi.
Batteria senza Anodo
In una cella ricaricabile convenzionale il materiale dell’elettrodo negativo ospita gli ioni durante la carica. Durante la scarica gli ioni si spostano attraverso l’elettrolita verso l’elettrodo positivo.
In una cella senza anodo preinstallato il sodio metallico si deposita direttamente sul collettore durante la carica.
Eliminare il materiale anodico iniziale può ridurre massa e costo e migliorare la densità energetica. La tensione dipende però dalla chimica degli elettrodi, non dalla sola etichetta “senza anodo”.
Fonte: University Of Chicago
Una difficoltà è ottenere deposizione e rimozione uniformi del metallo, evitando perdita di materiale attivo, vuoti e instabilità dell’interfaccia.
Batteria allo Stato Solido
Le batterie allo stato solido sono una famiglia di tecnologie in sviluppo, non una forma finale o universale dell’accumulo.
L’elettrolita solido può offrire vantaggi, ma massa, velocità di carica e potenza dipendono dall’intera cella e dalle sue interfacce.
Variazioni di volume degli elettrodi e perdita di contatto con l’elettrolita sono tra le difficoltà tecniche.
Filamenti metallici possono anche attraversare alcuni elettroliti solidi e causare cortocircuiti. Lo stato solido non rende automaticamente impossibile questo fenomeno.
Sodio senza Anodo allo Stato Solido
Nel progetto senza anodo è particolarmente importante mantenere un buon contatto tra collettore, sodio depositato ed elettrolita solido.
I ricercatori hanno usato polvere di alluminio come collettore. Le particelle possono riassestarsi sotto pressione e migliorare il contatto; l’alluminio non diventa per questo un elettrolita liquido.
Fonte: University Of Chicago
Molti vantaggi
Il collettore di alluminio e la gestione dell’interfaccia favoriscono una deposizione del sodio più uniforme nelle condizioni studiate. Non dimostrano l’eliminazione universale dei dendriti.
Un’interfaccia più stabile può ridurre la formazione di sodio elettricamente isolato, che farebbe perdere capacità utilizzabile.
Gli autori analizzano configurazioni e potenziali densità energetiche nell’intervallo di circa 200–400 Wh/kg. Questi valori dipendono dalle ipotesi di progetto e non equivalgono a prestazioni garantite di un pacco commerciale.
Fonte: University Of Chicago
La combinazione di sodio e alluminio offre una possibile via per ridurre alcuni costi. Non tutte le batterie al litio contengono cobalto o nichel, e il costo finale dipende anche da produzione, durata e componenti della cella.
Il Potere della Combinazione
Sodio, stato solido e architetture senza anodo hanno storie di ricerca diverse. Il livello di maturità commerciale non è identico per tutte queste tecnologie.
Sono in sviluppo anche altre chimiche e configurazioni, come discusso in ”Il futuro dell’accumulo energetico: batterie su scala di rete” e ”Il futuro della mobilità: tecnologie delle batterie”.
Combinare più approcci può aprire nuove possibilità, ma una dimostrazione di laboratorio non equivale a una tecnologia commerciale già convalidata.
I vantaggi di un componente possono attenuare alcune difficoltà degli altri, creando anche nuovi problemi da valutare.
In questo caso, il collettore in polvere di alluminio aiuta a gestire contatto e deposizione del sodio nell’architettura studiata.
Le prestazioni dipendono dall’intera configurazione, non dalla sola presenza di polvere di alluminio.
Neppure la convenienza economica può essere dedotta da un singolo materiale: occorre considerare l’intero processo produttivo.
Il sodio può essere adatto a molte applicazioni, ma peso, autonomia e durata vanno valutati per ciascun progetto.
La combinazione di materiali e architetture amplia le opzioni per nuove batterie. Rimangono necessarie verifiche di durata, sicurezza, produzione su scala e costo.
Aziende di Batterie al Sodio
1. CATL
CATL è uno dei maggiori produttori di batterie. Per gennaio–maggio 2024 riportò una quota globale delle installazioni di batterie per veicoli elettrici del 37,5%, non oltre metà di tutte le batterie mondiali. Ha presentato diversi sviluppi, tra cui:
- Celle per accumulo stazionario con obiettivi di lunga durata; il numero di cicli dipende dalle condizioni di prova e dal limite di capacità residua.
- La batteria LFP Shenxing, presentata con ricarica molto rapida. LFP significa litio-ferro-fosfato; autonomia e tempi dipendono da veicolo e condizioni.
- Una tecnologia di batteria condensata presentata con una densità dichiarata fino a 500 Wh/kg e possibili applicazioni aeronautiche. Sono necessarie ulteriori verifiche a livello di sistema.
- La prima generazione di celle agli ioni di sodio da 160 Wh/kg, con un obiettivo annunciato di 200 Wh/kg per sviluppi successivi.
Fonte: CATL
Nel settore stazionario CATL ha presentato TENER, descritto dall’azienda come ”un sistema di accumulo producibile su larga scala senza degrado di capacità e potenza nei primi cinque anni alle condizioni dichiarate”.
Il sistema è stato presentato con 6,25 MWh in un contenitore da 20 piedi. Le dichiarazioni sul degrado e sulla sicurezza devono essere lette insieme a condizioni operative, garanzie e dati di verifica.
CATL ha inoltre investito nella capacità di riciclo delle batterie in Cina. L’azienda ha dichiarato tassi di recupero del 99,6% per nichel, cobalto e manganese e del 91% per litio in specifici processi. Non sono percentuali garantite per ogni impianto o flusso di rifiuti.
CATL collabora con numerosi costruttori, inclusa Tesla (TSLA ). La scala industriale è un vantaggio potenziale, ma non garantisce il primato in ogni nuova chimica.
2. BYD
BYD è un importante produttore di veicoli elettrici e ibridi plug-in, oltre che di batterie.
L’azienda è cresciuta dalle batterie per elettronica di consumo a una presenza internazionale nell’automotive. Confronti con Tesla e primati nazionali dipendono da periodo, mercato e inclusione o meno degli ibridi plug-in.
L’espansione di BYD ha contribuito alla crescita dell’industria automobilistica cinese. Il gruppo ha annunciato nuovi impianti all’estero, tra cui uno in Ungheria.
La Seagull è un modello compatto a basso prezzo sul mercato cinese. Usa una batteria Blade al litio-ferro-fosfato, non una batteria al sodio; prezzi e dotazioni variano secondo paese e versione.
Fonte: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738
BYD è un importante produttore di batterie LFP e compete con CATL. Le quote di mercato richiedono l’indicazione del periodo e della categoria misurata.
Dazi e altre misure commerciali possono influenzare l’espansione dei veicoli cinesi. Costi, accesso al mercato e produzione locale variano tra paesi.
BYD è attiva anche in America Latina, Asia e altri mercati. Non è corretto considerare interi continenti privi di industria automobilistica o di politiche di protezione.
La popolazione di un mercato non equivale a clienti effettivi. Reddito, infrastrutture, concorrenza e regole influenzano la domanda.
La produzione locale può modificare costi e dazi, ma non assicura competitività o libero accesso a tutti i mercati. I progetti annunciati devono essere distinti da impianti già operativi.
