Mezzo secolo fa, la batteria del futuro era costruita con il sodio. La ragione ha a che fare con il motivo per cui i mari sono salati. Il sodio è un elemento leggero che si ionizza facilmente, cedendo uno dei suoi elettroni, in una batteria, quegli ioni si spostano avanti e indietro tra due piastre di carica opposta, generando una corrente. Ciò sembrava un modo promettente per alimentare una casa o un’auto, ma poi un altro elemento ha rovinato la festa: il litio, il vicino al piano di sopra del sodio nella tavola periodica.
Sony nel 1991, ha commercializzato la prima batteria ricaricabile agli ioni di litio, era abbastanza piccola e portatile da alimentare le sue videocamere portatili. Il litio era più leggero e più facile da lavorare rispetto al sodio, e quindi intorno ad esso si sviluppò l’industria delle batterie. Le aziende e i laboratori di ricerca si sono affrettati a mettere più energia in meno spazio. Il sodio è passato in secondo piano.
È stato sorprendente quest’estate quando l’azienda cinese CATL, leader mondiale nello sviluppo e nella produzione di batterie agli ioni di litio, ha annunciato che il sodio avrebbe avuto un ruolo nel futuro elettrificato, indicando che a partire dal 2023, inizierà a posizionare le celle al sodio accanto a quelle al litio all’interno dei pacchi batteria che alimentano le auto elettriche. Come mai?
Interpellato in merito, un dirigente della CATL ha sottolineato che il sodio è più economico del litio e ha prestazioni migliori quando fa freddo, ma la scelta è dovuta anche per salvaguardare l’azienda da un problema difficile da immaginare nel 1991. Entro la fine di questo decennio, il mondo sarà a corto di materie prime per le batterie, non solo litio, ma anche metalli come nichel e cobalto. Ora che l’elettrificazione sta realmente avvenendo su larga scala, è tempo di pensare alla diversificazione.
L’annuncio di CATL “ha davvero iniettato nuova energia nelle persone che lavorano sul sodio”, afferma Shirley Meng, scienziata delle batterie presso l’Università della California, a San Diego, lavora ampiamente con entrambi gli elementi. Shirley Meng da giovane professoressa, ha iniziato a lavorare con il sodio in parte perché stava cercando una nicchia adeguatamente strana in cui distinguersi, ma anche perché credeva che avesse del potenziale. Ha detto: “La più grande barriera al successo per il sodio era che il litio aveva così tanto successo”.
Il litio non è eccezionalmente raro, ma i depositi sono concentrati in luoghi difficili da estrarre, quindi società come CATL competono per assicurarsi una fetta della fornitura da un numero limitato di miniere, per lo più situate in Australia e nelle Ande. Le riserve in Nord America nel frattempo sono impegnate in controversie ambientali, sollevando preoccupazioni negli Stati Uniti sulla sicurezza delle catene di approvvigionamento. La concorrenza è ancora più agguerrita per il nichel, definito da Elon Musk “la più grande preoccupazione” per il futuro delle batterie per veicoli elettrici, a causa dei limiti di prezzo e fornitura, e per il cobalto, di cui il 70% viene estratto nella Repubblica Democratica del Congo.
Shirley Meng ha detto:
«Con l’apertura di altre miniere, probabilmente ci sarà abbastanza litio per alimentare tutti i veicoli del mondo, ma questo non tiene conto di tutte le cose pronte per l’elettrificazione che non sono le automobili, principalmente, le batterie che gestiranno il carico all’interno delle microgrid (sono reti localizzate in grado di disconnettersi dalla rete tradizionale per operare in autonomia) e manterranno le luci accese di notte quando i pannelli solari sul tetto sono al buio. È questo tipo di applicazione che avevo in mente quando mi sono dedicata alla ricerca sul sodio, pensavo che tutti avrebbero avuto un dispositivo per conservare gli elettroni in casa, nello stesso modo in cui hai un frigorifero per il cibo, penso che questa sia davvero la visione per l’archiviazione in rete».
Il sodio è un elemento comune, di solito viene estratto dal carbonato di sodio, ma può essere trovato praticamente ovunque, anche nell’acqua di mare e nella torba delle paludi. Capita anche che sia adatto al tipo di applicazioni che Shirley Meng sta descrivendo. Gli ioni sono un po’ più pesanti e più grandi di quelli del litio, il che significa che non puoi accumulare tanta energia in un piccolo spazio, come la pancia di un’auto.
Nuria Tapia-Ruiz, professoressa alla Lancaster University, direttrice dell’iniziativa sulle batterie al sodio della Faraday Institution, spiega:
«Dove le batterie al sodio possono avere un grande impatto è sulla rete, possono essere un po’ più grandi, un po’ più pesanti, ma non importa perché devono solo stare strette. Storicamente, le batterie al sodio hanno un volume maggiore di quelli al litio e requisiti superiori per quanto riguarda la stabilità strutturale e le proprietà cinetiche dei materiali, mentre sodio e litio sono vicini periodici, esistono in universi paralleli della chimica, reagendo in modo diverso con vari elementi e composti. Ciò significa che il passaggio al sodio richiede lo sviluppo di nuovi materiali per il catodo e l’anodo della batteria, gli elettrodi positivo e negativo che catturano e rilasciano ioni mentre la batteria viene caricata e quindi consumata; un problema particolare è che le reazioni chimiche all’interno della batteria possono consumare l’elettrolita che si trova tra gli elettrodi, riducendo la durata della batteria o rischiando la creazione di sodio metallico, che può essere esplosivo».
Nuria Tapia-Ruiz ha detto:
«Un’altra sfida è che le batterie al sodio ad alta densità energetica tipicamente contengono nichel, così come molte batterie al litio. L’eliminazione di quel metallo è una preoccupazione fondamentale per i ricercatori, anche se difficile, ma questa è la cosa giusta da fare perché vuoi creare una tecnologia che sia sostenibile e molto verde».
Laboratori e startup che ancora lavorano con il sodio hanno fatto progressi negli ultimi decenni. Natron Energy, una startup con sede in California, costruisce batterie al sodio principalmente per l’alimentazione di backup in impianti industriali e data center. L’azienda utilizza un materiale chiamato blu di Prussia come base per i suoi elettrodi, una variazione del primo pigmento sintetico utilizzato nei dipinti iconici, tra cui La grande onda di Kanagawa (The Great Wave off Kanagawa).
Il design all’interno di una batteria non è particolarmente denso di energia, anche per gli standard del sodio. Jack Pouchet, vicepresidente delle vendite di Natron Energy, ha detto:
«Il vantaggio è che la nostra catena di approvvigionamento potrebbe essere locale. Contiene elementi comuni come sodio, manganese e ferro e la fabbrica si trova a Santa Clara, in California. La batteria per quello che manca nell’immagazzinamento di energia, può caricare ed erogare quell’energia velocemente. L’azienda spera che le sue batterie possano essere utilizzate per caricare rapidamente le auto elettriche quando la rete elettrica è ridotta. Natron Energy sta portando avanti i piani per installare tali dispositivi a San Diego».
L’altro passo dell’azienda è la sicurezza. Jack Pouchet sottolinea gli incidenti nelle operazioni di stoccaggio delle batterie della rete, tra cui un grave incendio in un impianto di batterie in Australia e il surriscaldamento in un’altra installazione in California, poiché sollevano preoccupazioni sull’opportunità di mettere batterie in casa di tutti, per quanto rari possano essere quegli incendi, “Non vorrei averlo nel mio garage”, dice. Il sito dell’azienda presenta video dimostrativi di frantumazione e riscaldamento dei pacchi batteria, il tutto senza apparenti problemi.
Shirley Meng ha affermato:
«La sicurezza delle batterie al sodio in generale non è perfetta, dipende dal design specifico della batteria. Tutto si riduce all’abbinamento del catodo e dell’elettrolita giusti, eliminare i rischi di incendio è più difficile per le batterie più dense di energia, come quelle che si trovano nelle auto, o quelle progettate per erogare energia per un periodo di tempo più lungo, come le batterie di accumulo della rete».
CATL afferma che i suoi design al sodio sono sicuri, oltre a offrire una maggiore densità di energia con un catodo privo di nichel. La batteria è paragonabile alle batterie al litio-ferro-fosfato o LFP, sono sempre più popolari nelle auto di fascia media. CATL compensa anche la minore densità di energia accoppiando le batterie al sodio con celle a base di litio. Ha affermato che il suo obiettivo è rendere i due elementi ampiamente intercambiabili anche nel processo di produzione, inserendo il sodio insieme al litio nella sua vasta e complessa catena di approvvigionamento.
Shirley Meng spiega:
«Questo è un grosso problema perché qualsiasi confronto dei costi tra i progetti al sodio e al litio è collegato all’aumento della produzione di batterie al sodio, dipende da grandi produttori come CATL».
Wood Mackenzie, società di consulenza che si concentra sulle risorse naturali, stima che le batterie al sodio costeranno il 40% in meno rispetto alle batterie LFP, in gran parte a causa dei materiali economici, ma solo una volta che la produzione di sodio sarà ridimensionata. L’azienda afferma che il litio dovrebbe rimanere dominante negli anni a venire.
Shirley Meng sottolinea che tecnologie come il sodio e altre alternative al litio, che includono zinco e vanadio, per luoghi come gli Stati Uniti, che non hanno una vasta industria delle batterie, sono anche un’opportunità di costruirne una. Shirley Meng e altri ricercatori dell’Università della California, a San Diego, recentemente hanno lanciato un’iniziativa per mettere a punto tecniche di produzione per batterie al sodio allo stato solido, una tecnologia di prossima generazione che sarebbe molto più sicura e più densa di energia rispetto alle batterie che abbiamo ora. Ha detto:
«È un progetto a lungo termine, i ricercatori e le startup stanno lottando per commercializzare batterie al litio a stato solido e le versioni al sodio hanno ricevuto meno finanziamenti e attenzione, ma vale la pena pianificare il futuro, e continuare a lavorare con i perdenti. Ci sono ancora molte scoperte più entusiasmanti che possano essere fatte».
