Il sale della transizione: il sodio come alternativa agli ioni di litio

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Attualmente la tecnologia agli ioni di litio, grazie alle sue performance rappresenta l’opzione dominante nel mercato dei sistemi di alimentazione. Tuttavia, la situazione macroeconomica, la disponibilità di materia prima che spesso differisce dalla domanda e, non meno importante, i costi di estrazione e le problematiche della rigenerazione, stanno mettendo a dura prova i piani produttivi e l’intera filiera per quanto riguarda questa tipologia di accumulatori.

In questo scenario, da qualche tempo stanno facendo capolino altre tipologie di chimica delle batterie le quali sono oggetto di maggiore ricerca e sviluppo. Lo scopo è quello di mettere in campo un’alternativa che se non proprio pari al Litio possa essere valida. Se le LFP risultano più che adatte ai sistemi Bess (ma non per gli EV) un paragone simile può essere fatto con le batterie al Sodio.

La chimica del Sodio

Innanzitutto iniziamo a considerare l’aspetto “materia prima”. Il sodio è una sostanza abbondantemente diffusa sul globo: si può trovare nel sale dell’acqua marina o nelle cosiddette salamoie e, a livello economico, ha un costo molto più basso. Questo è un aspetto non da poco considerando che il Litio, sebbene più performante, ha oneri ben maggiori per la sua estrazione e lavorazione il che ha anche un forte impatto ambientale. Inoltre, le batterie agli ioni di Sodio (Na-Ion) non richiedono la presenza di materiali come il Nickel e il Cobalto.

Le batterie con questo tipo di chimica, vedono lo scambio di ioni di sodio fra elettrodi (anodo e catodo) il cui flusso e direzione determinano la fase di carica o scarica. Date le caratteristiche di questa chimica, le batterie Na-Ion presentano una maggiore stabilità termica e pertanto sono molto meno soggette ai surriscaldamenti e fughe termiche tipici delle batterie Li-Ion: ciò consente un range di temperatura di esercizio più ampio. Altro punto a favore è che la stabilità del Sodio consente alla batteria di non danneggiarsi mai quando subisce la scarica completa.

Tuttavia non vi sono soltanto pro, poiché esistono alcuni contro che (almeno per il momento) non consentono alle Na-Ion di esprimere maggiormente il loro potenziale.

Iniziando dal “di dentro”, questa chimica presenta una bassa conduttività ionica, pertanto occorre lavorare ancora sugli elettrodi e sulla tipologia di materiale di cui sono composti. Ed è proprio sui materiali conduttivi che ci si sta concentrando maggiormente: una possibile soluzione potrebbe essere l’impiego di conduttori superionici di sodio, (Nasicon – Na SuperIonic CONductor), in particolare la combinazione di fosfato sodico e vanadio (NaxV2-PO4-3).

Questo composto possiede la caratteristica di gestire il sodio in modo univoco durante le fasi emissione e assorbimento degli Ioni restando stabile anche a temperature prossime a quella ambiente.

La chimica del Sodio al momento possiede una densità energetica inferiore rispetto al Litio, pertanto per ottenere una parità di prestazioni le batterie con questa chimica risultano più pesanti e più ingombranti. Giusto per fornire un confronto fra chimiche, gli Ioni di Sodio, sebbene vadano a posizionarsi nella parte bassa della classifica, si classificano comunque davanti ad esempio alle LFP:

1. Litio Nickel Cobalto Alluminio 200 – 260 Wh/Kg
2. Litio Nickel Cobalto Manganese 150 – oltre 200 Wh/Kg
3. Litio e cobalto 150 – 200 Wh/Kg
4. Ioni di Sodio 100-160 Wh/kg
5. LFP – 100-120 Wh/Kg

Tuttavia, anche in questo ambito prosegue, da parte dei produttori, l’R&D pertanto gli attuali valori di densità sono senza dubbio destinati a salire.

Performance

Un altro aspetto importante riguarda le performance – tensione e corrente per intenderci – poiché anche in questo campo le batterie al Sodio forniscono un valore nominale più basso (fra i 3 e i 3,1 V) rispetto alle Litio Cobalto, non molto inferiore rispetto ad esempio alle LFP (3,2 V) ma superiore ad esempio all’LTO che, pur essendo il Litio più sicuro è il meno performante con 2,4 V. Proseguendo nell’analisi delle prestazioni, proviamo a comprende in modo più approfondito la resa del Sodio prendendo in considerazione altri due parametri: la durata (Lifecycle) e le temperature di esercizio.

Dalla tabella si nota immediatamente la relazione che vi è fra l’LTO e il Na per quanto riguarda il range di temperatura di esercizio: essendo fra le chimiche più stabili si avrà questo vantaggio sebbene una performance inferiore in termini di tensione nominale. Il ciclo di vita, che è abbastanza buono per il Na e tende ad eguagliare le LFP sul numero di ricariche possibili, non è ancora in grado di competere con le più “longeve” LTO.

La chimica del Sodio domani

In base al confronto, sebbene le conclusioni sulla validità del Sodio possano essere non tanto positive, va comunque considerato che abbiamo effettuato un paragone fra tipologie di chimica cha hanno subito numerosi miglioramenti ne corso degli anni. Va anche tenuto conto, e lo avevamo già formulato in precedenza, che non esiste la “chimica N.1”, poiché ogni composto ha tutta una serie di pro e contro a seconda dell’applicazione. Nel caso del Sodio, è ad esempio evidente che si presti in misura minore all’impiego sugli EV, tuttavia ciò non ne preclude l’utilizzo nei sistemi di stoccaggio.

La proliferazione dei sistemi ESS per lo stoccaggio temporaneo di energia, ad esempio, può rivelarsi un campo di utilizzo che ben si presta alle batterie al Sodio.

Occorre considerare che attualmente vi sono importanti fattori come: il processo di decarbonizzazione, l’aumento della domanda di energia e la crescita delle installazioni di impianti di generazione da energie rinnovabili e, il graduale passaggio dall’energia fossile a quella elettrica per quanto riguarda i servizi domestici (scaldabagno, piastre, impianti di riscaldamento, ecc.). In questo contesto è più che auspicabile l’aumento di fabbisogno di batterie, non solo per gli impianti di generazione, ma anche per poter sviluppare una smart grid in grado di disporre di tanti punti di backup per coprire la crescente domanda.

Basti pensare soltanto alla diffusione dei punti di ricarica EV, i quali in molti casi stanno iniziando a sfruttare lo stoccaggio di energia in combinazione con l’energia di rete. Con l’aumento dei consumi, resta fondamentale il bilanciamento delle reti tradizionali; anche in questo, la chimica del Sodio può rappresentare un punto di forza poiché affidabilità, stabilità e aspetti economici consentono di realizzare punti di stoccaggio consistenti.

Lo sviluppo della chimica del Sodio è poco più che all’inizio

Ricerca e sviluppo vedranno senz’altro significativi miglioramenti riguardo a composti e tecnologie dei conduttori il che non potrà che influire positivamente sulle performance di prodotto. Come detto, il Sodio non può attualmente rappresentare l’alternativa al Litio, tuttavia potrà benissimo affiancarlo. Quest’ultima considerazione è fatta focalizzandosi sull’imminente futuro e sulla crescente varietà nella tipologia di impianti installati e dai loro specifici requisiti.

In conclusione, aspetto non meno importante degli altri, la proliferazione delle batterie accresce la problematica dello smaltimento e rigenerazione degli esausti. Anche in questo il Sodio potrebbe rivelarsi una scelta più adatta poiché, date le sue caratteristiche, presenta molte meno criticità per quanto riguarda la rigenerazione.

Roberto Romita, Key Account manager - Sparq

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