Lo sviluppo delle batterie al sodio o, meglio, ai suoi ioni, è tutt’altro che consolidato. Sono attive numerose iniziative industriali, in varie parti del mondo, per lanciare la tecnologia sul mercato. Siamo però ancora piuttosto lontani da un debutto concreto, su larga scala, di questi accumulatori.
All’inizio degli anni 2000, l’italiana Terna decise di sperimentare nuove tecnologie di accumulo. Il piano era quello di alleviare la situazione di alcuni colli di bottiglia della rete i quali, soprattutto al Sud, non riuscivano a spostare la produzione di sole e vento nelle ore di picco. Vi era dunque bisogno di ottenere, in qualche modo, più energia. Fra le tecnologie testate vi erano batterie al sodio-zolfo, a elevata temperatura, che prima di iniziare a funzionare dovevano essere scaldate fino a 200 °C. Evidentemente, qualcosa non convinse. La tecnologia non si diffuse mentre quella al litio divenne pervasiva.
Caratteristiche tecniche e stato della ricerca
In tempi recenti, l’interesse verso le batterie al sodio si è ravvivato. Si tratta di un naturale rimpiazzo del litio. I due elementi sono attigui nella colonna dei metalli alcalini sulla tavola periodica degli elementi chimici. Ciò non è casuale. Le proprietà chimiche ed elettrochimiche sono grossomodo le stesse e, dunque, è possibile pensare che possano avere una resa equiparabile. Il sodio possiede però un importante vantaggio: si tratta infatti di un elemento estremamente diffuso, il sesto fra i più comuni sulla Terra. Di fatto, è 1000 volte più abbondante del litio, sul pianeta.
Con il sodio, dunque, si possono costruire accumulatori più economici. Tramite essi, si può spingere verso l’elettrificazione dei trasporti, rallentata in Occidente dagli alti prezzi delle auto elettriche, e liberarsi da catene di produzione e raffinazione in mani cinesi al 70%. Da numerosi laboratori in giro per il mondo stanno uscendo modelli e prototipi di batterie sodio-ioni, molto simili a quelle al litio come struttura e funzionamento. Queste, però, si surriscaldano con difficoltà e non presentano lo stesso rischio di prendere fuoco di quelle basate sull’elemento cugino.
Le ricerche attualmente in corso si stanno focalizzando sull’aspetto della densità energetica, il quale al momento gioca a favore del litio. La capacità di questo elemento di produrre energia resta considerevolmente superiore, specie se pensiamo agli accumulatori a stato solido, l’ultima trovata nel campo della produzione energetica basata sul litio, che ne ha migliorato sensibilmente le prestazioni.
Densità energetica attuale
La densità energetica attuale delle batterie agli ioni di sodio resta considerevolmente inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio. La ricerca però prosegue e il dato sta aumentando rapidamente. Le tecnologie attuali raggiungono tipicamente valori compresi tra 140 e 160 wattora per chilogrammo. La soglia è stata giudicata superabile da alcuni produttori, i quali stanno concentrando i loro sforzi in questo senso.
Una batteria al litio non delle più prestanti presenta una densità variabile tra 180 e 250 Wh/kg. Non è un dato particolarmente impressionante, ma si tratta di un valore più elevato rispetto a quello degli ioni di sodio, più che sufficiente per applicazioni di accumulo.
Tipo di chimica e sicurezza termica
Come già messo in luce, le batterie agli ioni di sodio sono in grado di offrire una maggiore sicurezza teermica rispetto alle loro alternative al litio.
La loro costituzione è chimicamente più stabile e presenta minore rischio di fuga termica. La chimica Na-ion degli ioni di sodio sfrutta la mobilità di queste particelle attraverso un elettrolita. La natura meno reattiva del sodio e l’uso di elettroliti non infiammabili negli accumulatori basati su questo elemento contribuiscono a una soglia di attivazione termica più elevata. Di conseguenza, il calore si genererà meno velocemente e, dunque, queste componenti saranno più resistenti a eventi di abuso, come cortocircuiti e forature che possono generare pericolose scintille.
Costi di produzione e scalabilità
Disponibilità in natura e prezzi modici delle materie prime, sodio e alluminio in primis, mantengono i costi di produzione delle batterie Na-ion in una fascia di prezzo accettabile e più bassa rispetto a quella della tecnologia predominante del litio. Quest’ultima resta piuttosto dispendiosa, come avevamo già evidenziato quando abbiamo parlato dell’altra tecnologia per batterie attualmente allo studio, quella alluminio-aria.
Confronto costi con il litio in dollari per kilowattora
Essendo il sodio molto più abbondante del litio, oltre che maggiormente diffuso, in maniera uniforme, a livello globale, i costi di realizzazione di accumulatori in questo materiale si dimostrano più contenuti. Anche il secondo materiale necessario per realizzare batterie agli ioni di sodio è facilmente reperibile. Si tratta dell’alluminio, utilizzato generalmente per entrambi gli elettrodi. Il costo attuale delle celle Na-ion si attesta sugli 87 dollari/kWh. Dal momento che la produzione di questi accumulatori non è su larga scala, l’esborso per singola unità non differisce molto da quello necessario per la sua alternativa al litio.
Le stime relative al futuro a breve e medio termine della tecnologia prevedono però che il costo di produzione scenderà significativamente, grazie all’aumento della produzione e allo sviluppo tecnologico. Entro il 2030, realizzare una batteria al sodio non costerà più di 40-50 dollari/kWh. Una produzione in serie, su larga scala, è ancora piuttosto lontana. È auspicabile che i produttori ci puntino, poiché si tratta di un fattore chiave allo scopo di ridurre i costi. Le linee di produzione per le batterie agli ioni di sodio richiedono solo lievi modifiche rispetto a quelle esistenti, sfruttate per l’assemblaggio di accumulatori agli ioni di litio. Questa circostanza facilita l’aumento della scala produttiva.
| CHIMICA | DENSITÀ ENERGETICA (Wh/kg) | COSTO (€/kWh) |
| Na-ion | 100 – 160 | 45 – 60 |
| Litio-ferro-fosfato LFP | 90 – 165 | 60 – 80 |
| Nichel-manganese-cobalto NMC (batteria moderna per auto elettrica) | 150 – 270 | 80 – 100 |
Risparmio sulle materie prime
Produrre batterie al sodio comporta un considerevole risparmio sull’utilizzo delle materie prime. Come ormai assodato, il sodio è un elemento facile da reperire e un accumulatore basato su questo materiale, e l’alluminio, non presenta particolari problemi di disponibilità della componentistica.
Il discorso è completamente diverso per le batterie al litio, specie quelle di ultima generazione che fanno uso di nichel e cobalto. Questi elementi e le altre terre rare impiegate per realizzare gli accumulatori necessari a mettere in circolazione automobili elettriche, come dice il nome stesso, sono più difficili da reperire e hanno alti costi economici e ambientali. Slegare la produzione di accumulatori da elementi di questo tipo sarebbe un notevole vantaggio, in termini sia ecologici sia finanziari.
Limiti e ambiti applicativi
I detrattori della tecnologia agli ioni di sodio evidenziano come questa abbia evidenti limiti rispetto alla sua cugina al litio. Aggiungono poi anche che le sue limitate applicazioni non consentono di impiegarla con la stessa libertà del litio. A loro dire, si tratta di due problematiche tutt’altro che sottovalutabili, le quali sarebbero sufficienti a non giustificare le spese e risorse necessarie a portare avanti la ricerce sugli accumulatori Na-ion.
Durata cicli e densità inferiore delle batterie al sodio
Il volume di una batteria agli ioni di sodio è maggiore e, di conseguenza, provoca un maggiore stress meccanico durante lo spostamento tra i due elettrodi che ne consentono il funzionamento, anodo e catodo. Ciò riduce la stabilità della grafite anodica. In altre parole, accorcia in maniera sensibile la durata della vita della sua componentistica, rispetto a quella delle batterie al litio. Un accumulatore Na-ion mostra un rapido degrado già dopo pochi cicli.
In merito alla densità energetica inferiore, ben evidente dai dati riportati in tabella, anche qui non può che suonare un campanello di allarme. Le batterie agli ioni di sodio si dimostrano poco adatte ad applicazioni che richiedono peso e volume ridotti, come dispositivi portatili o veicoli elettrici leggeri. Anche questo è un limite di cui tenere conto.
Applicazioni ideali: store-grid, fotovoltaico e veicoli stazionari
Quanto appena evidenziato, ad ogni modo, non squalifica completamente le batterie al sodio. Esse si dimostrano infatti piuttosto indicate per applicazioni come il fotovoltaico e l’immagazzinamento di energia proveniente dal sole e raccolta dalle celle solari esposte. Alla stessa maniera, appaiono ideali per essere collocate in luoghi quali ospedali e data center, dove è bene avere sempre una copiosa riserva di energia a disposizione, nell’evenienza di blackout o interruzioni di servizio improvvise. Di fatto, simili destinazioni d’uso potrebbero essere interamente coperte dalla tecnologia Na-ion, limitando quella al litio alle applicazioni dove è maggiormente indicata.
Prospettive di mercato e sviluppi futuri
Nonostante i limiti evidenziati, le prospettive di mercato per le batterie al sodio appaiono promettenti. Ciò si deve alle loro ampie capacità di stoccaggio, le quali le rendono migliori delle possibili alternative in campi come accumulo stazionario e inserimento in veicoli elettrici economici entry-level, nei quali è meno importante avere una batteria di qualità elevata. Possiamo allargare il discorso ad altre applicazioni che richiedono costi bassi e sostenibilità maggiore rispetto a quella offerta dal litio, come elettrodomestici portatili e generatori di emergenza.
Naturalmente, non va dimenticato che presentano una minore densità energetica e un ingombro maggiore rispetto agli accumulatori oggi più diffusi. Ciò rende queste batterie meno adatte a dispositivi portatili ad alte prestazioni o a veicoli elettrici con autonomia elevata. Gli sviluppi futuri dovranno inevitabilmente focalizzarsi sul miglioramento di questo aspetto. Quello della riduzione dei costi attraverso la produzione su larga scala sarà un decorso naturale, mentre per quanto riguarda l’espansione della filiera produttiva e il miglioramento delle prestazioni, dovranno inevitabilmente farsene carico le aziende e i ricercatori che stanno portando avanti ricerche su questa tecnologia.
Crescita prevista del mercato
Le stime sul prossimo futuro del mercato delle batterie al litio sono positive. L’attuale produzione di 10 GigaWattora aumenterà del 700% da qui al 2033, grazie a una crescita annua del 27% preventivata con un margine di errore piuttosto basso. Difficilmente, comunque, le batterie Na-ion si faranno presto predominanti. È più probabile che ci attenda un affiancamento piuttosto lungo di quelle al litio che, oggi, usiamo in pressoché ogni applicazione.
Progetti in corso
Sono attualmente allo studio, ben avviati, tre progetti che mirano a migliorare le prestazioni delle batterie al sodio. Vediamo quali siano le iniziative oggi più credibili.
- Batterie agli ioni di sodio (NA-ion): tecnologia pura, quella di cui abbiamo scritto fin qui. Le prestazioni di queste batterie sono ancora troppo modeste. Al fine di farle diventare un’alternativa competitiva al litio, ci si sta concentrando sull’impiego di materiali differenti rispetto a quelli utilizzati oggi dai produttori. Lo scopo principale della ricerca su questo tipo di batteria è fornire un’alternativa economica ed ecologica.
- Batterie allo stato solido: ancora allo stato di prototipo, ci si attendono applicazioni pratiche a partire dal 2027. Scopo dei test che si stanno portando avanti è quello di rimuovere completamente l’elettrolita liquido, che rappresenta l’elemento più pericoloso all’interno di un accumulatore al litio, per via della sua infiammabilità. La ricerca non si limiterà ad aumentare la sicurezza della componentistica, ma farà il possibile anche per aumentare la densità energetica del sodio.
- Batterie ibride al sodio-litio: l’idea generale, qui, è quella di combinare i materiali per ottenere i benefici di entrambe le tecnologie. Al momento, non abbiamo notizia di progetti specifici in corso, né di test in dirittura di arrivo. È lecito attendersi novità tra diversi anni. Naturalmente, quella di sfruttare i punti di forza sia del litio sia del sodio, al fine di creare batterie con caratteristiche migliorate, è un’ottima idea. C’è da augurarsi che vada davvero in porto, come si suol dire.
