Dalla Corea un prototipo di batteria al sodio che può ricaricarsi in 5 secondi: perché è importante

Per la prima volta sono stati sviluppati prototipi di batteria agli ioni di sodio con prestazioni tali da renderli competitivi rispetto alle tradizionali batterie al litio, per di più in grado con tempi di ricarica brevi. A realizzarlo è stato un team di ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) guidato da Jeung Ku Kang, che hanno raggiunto questo risultato usando una particolare combinazione di materiali per i due elettrodi della batteria. Questo è un notevole passo in avanti nel campo relativamente recente delle batterie al sodio, che si stanno configurando sempre più come alternative più sostenibili, economiche e sicure alle tradizionali batterie al litio, considerata come una materia prima critica, soprattutto in settori chiave come i veicoli elettrici le cui batterie attualmente dipendono principalmente dal litio.

Come è fatta la batteria al sodio coreana e come fa a ricaricarsi in pochi secondi

Come le normali batterie, le batterie al sodio funzionano tramite reazioni di ossidoriduzione che producono ioni i quali vengono scambiati dall'elettrodo positivo a quello negativo (anodo e catodo rispettivamente) generando così una differenza di potenziale che può alimentare una corrente elettrica in un circuito. Come intuibile, le batterie al litio producono ioni di litio (Li⁺) mentre le batterie al sodio producono ioni di sodio (Na⁺).

Come vedremo più avanti, attualmente i limiti principali delle batterie al sodio sono la bassa densità di potenza (cioè quanta potenza può erogare 1 kg di reagenti) e i lunghi tempi di ricarica. La “scappatoia” che ha preso il KAIST per risolvere questo problema è molto semplice, ma allo stesso tempo efficace. Al momento ci sono due principali applicazioni della tecnologia al sodio: le batterie al sodio e i condensatori al sodio. Questi ultimi, come tutti i condensatori, erogano molta potenza e dunque possono ricaricarsi molto rapidamente, ma hanno una densità di energia (quanta energia può erogare 1 kg di reagenti) molto bassa rispetto a una batteria, e dunque una bassa autonomia. L'idea è quindi creare un “ibrido” con un elettrodo da batteria e uno da condensatore, in modo da avere il meglio dei due mondi.

I tentativi fatti negli anni scorsi avevano un grosso problema: i due elettrodi accumulano energia a velocità molto diverse. Seguendo il principio del “si va al passo del più lento”, l'elettrodo con la cinetica più bassa fa da collo di bottiglia. Come si può immaginare, questo squilibrio è un grave limite che impedisce una competizione diretta con le batterie al litio commerciali. Per ovviare a questo problema i ricercatori del KAIST hanno testato un anodo con materiali “da batteria”, ma con una reattività migliorata grazie a materiali attivi inglobati in una struttura di carbonio poroso: questo evita l'effetto “collo di bottiglia” tra i due elettrodi abbassando così drasticamente i tempi di ricarica. Il catodo usa invece materiali tipici dei supercondensatori, assicurando un'alta densità di potenza.

Risultato: i prototipi di batteria al sodio del KAIST hanno raggiunto una densità di energia massima di 247 Wh/kg (paragonabile a quella di una batteria al litio commerciali) con una densità di potenza di 34,75 W/kg (più alta rispetto alle altre batterie al sodio) e una stabilità del 100% (cioè nessuna perdita di capacità) dopo 5000 cicli di carica e scarica. Per quanto riguarda le versioni con densità di potenza più alte, il tempo di ricarica minimo si è attestato a circa 5 secondi (ma le versioni con maggiore densità di energia, cioè maggiore autonomia, hanno tempi di ricarica più lunghi, dell'ordine di un'ora). Il grafico qui sotto mostra che nel complesso il prototipo rappresenta un notevole passo in avanti rispetto alle altre batterie al sodio “ibride”. Se questa strada proseguirà, in futuro potrebbe essere applicata anche ai veicoli elettrici, anche se in questi casi il condizionale è sempre d'obbligo.

Batterie al sodio vs. litio: i pro e contro

Per capire le differenze tra i due tipi di batterie possiamo dare un'occhiata alla tavola periodica degli elementi. Qui vediamo che litio e sodio sono chimicamente imparentati: appartengono entrambi al primo gruppo (cioè la prima colonna della tavola periodica), rispettivamente nella seconda e terza riga. Questo significa che hanno la stessa configurazione elettronica esterna: in particolare, hanno un solo elettrone nell'orbitale s più esterno. Di fatto, le proprietà chimiche del litio e del sodio sono molto simili: tendono a perdere quel solo elettrone molto facilmente.

Ci sono però delle differenze che hanno ricadute pratiche importanti dal punto di vista dello sviluppo tecnologico. Rispetto al litio, il sodio è almeno 500 volte più abbondante in natura, meno costoso e più riciclabile. Ecco perché è stato scelto come alternativa al litio: ha un comportamento elettrochimico simile ma permette di realizzare batterie più economiche, più ecologiche e anche più sicure, perché più stabili e dunque meno a rischio di sviluppare incendi.

Le batterie al sodio presentano però anche degli svantaggi rispetto a quelle al litio. Sempre dalla tavola periodica notiamo che il sodio è più pesante del litio, il cui ione però trasporta la stessa carica elettrica netta. Questo fa sì che le batterie al sodio abbiano una minore densità energetica, cioè trasportano meno energia a parità di massa, e questo si traduce in una minore autonomia. Per dare un'idea, una densità energia tipica per una batteria al sodio può essere di 160 Wh/kg, mentre quella di una batteria al litio commerciale si aggira attorno ai 250 Wh/kh. Inoltre, gli elettrodi tendono a essere meno reattivi e questo significa tempi più lunghi di ricarica.

Perché la batteria al sodio del KAIST è una notizia importante

Per questi motivi le batterie al sodio vengono impiegate in situazioni in cui non servono alte prestazioni e ricarica rapida, come le biciclette a pedalata assistita, ma faticano a trovare applicazione in settori chiave come quello della mobilità elettrica, in cui il litio per ora rimane imprescindibile pur con pesanti conseguenze ambientali e geopolitiche. Da questo punto di vista l'obiettivo è far progredire la tecnologia al sodio abbastanza per renderla competitiva, in modo da avere un'alternativa vantaggiosa e ridurre la “dipendenza da litio” dei Paesi occidentali e di quelli in via di sviluppo. Però occorre una batteria che abbia alte capacità, un'alta densità di energia, un'alta densità di potenza e una cinematica rapida, e da questo punto di vista il prototipo realizzato dal KAIST è molto promettente, dal punto di vista ambientale, economico e anche geopolitico.

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