Negli ultimi decenni, le batterie agli ioni di litio hanno rappresentato il cuore pulsante della mobilità elettrica. Dalle prime auto elettriche alle moderne city car a zero emissioni, il litio ha alimentato la transizione energetica su quattro ruote. Tuttavia, il rapido aumento della domanda globale, i limiti delle risorse disponibili e i costi crescenti stanno spingendo scienziati e aziende a guardare oltre. In questo scenario, il sodio — un elemento molto più abbondante e accessibile — si affaccia come una promettente alternativa.
Quali implicazioni avrà questo cambiamento sul futuro delle batterie, dell’industria automobilistica e della sostenibilità ambientale? In questo approfondimento esploriamo le nuove tecnologie in sviluppo, i vantaggi e le sfide delle batterie al sodio.
Indice
Le criticità delle batterie al litio
Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) hanno dominato il mercato dei veicoli elettrici (EV) e dell’elettronica di consumo per oltre un decennio, grazie alla loro elevata densità energetica e buona ciclabilità. Tuttavia, il loro strapotere non è esente da problematiche significative che stanno spingendo la ricerca e l’industria verso alternative.
Una delle principali criticità riguarda la disponibilità e il costo delle materie prime. Il litio, il cobalto e il nichel, elementi chiave delle batterie Li-ion, sono risorse geograficamente concentrate e la loro estrazione è spesso associata a impatti ambientali e sociali. La crescente domanda, spinta dall’espansione del mercato EV, ha portato a significative fluttuazioni e aumenti dei prezzi, rendendo la catena di approvvigionamento vulnerabile a interruzioni geopolitiche e speculazioni di mercato.
Un altro aspetto cruciale è la sicurezza. Le batterie al litio, in particolari condizioni di stress (sovraccarico, danni fisici, temperature estreme), possono essere soggette a “thermal runaway“, un fenomeno che può portare a incendi difficili da estinguere. Sebbene i sistemi di gestione della batteria (BMS) e le tecnologie di sicurezza siano in costante miglioramento, il rischio persiste e rappresenta una preoccupazione per i consumatori e le case automobilistiche.
Infine, ci sono le prestazioni a basse temperature. Le batterie al litio tendono a perdere efficienza e capacità a temperature molto basse, riducendo l’autonomia dei veicoli elettrici in climi freddi.
Il sodio come alternativa: perché sta attirando l’attenzione del settore
L’attenzione del settore automobilistico e della ricerca si sta rivolgendo con sempre maggiore interesse verso le batterie agli ioni di sodio (Na-ion). Il sodio, essendo un elemento abbondante e ampiamente disponibile, rappresenta una soluzione potenzialmente rivoluzionaria per superare le criticità di costo e approvvigionamento del litio.
La ragione principale di questo rinnovato interesse risiede proprio nella abbondanza del sodio. A differenza del litio, che si trova in specifiche regioni del mondo e richiede processi di estrazione complessi, il sodio è il sesto elemento più abbondante nella crosta terrestre e può essere estratto facilmente da risorse come l’acqua di mare o depositi di sale comuni. Questo si traduce in un costo delle materie prime significativamente inferiore, rendendo queste batterie molto più economiche da produrre su larga scala. Per contestualizzare, si stima che il costo del sodio sia circa 100 volte inferiore a quello del litio. La sicurezza è un altro fattore chiave. Le batterie al sodio hanno una maggiore tolleranza al sovraccarico e al surriscaldamento, riducendo il rischio di thermal runaway e incendi.
Come funzionano: principi e differenze rispetto al litio
Le batterie agli ioni di sodio (Na-ion) e quelle agli ioni di litio (Li-ion) condividono un principio di funzionamento fondamentale: entrambe sono rocking-chair batteries. Ciò significa che, durante la scarica, gli ioni si muovono dall’anodo (elettrodo negativo) attraverso un elettrolita e un separatore verso il catodo (elettrodo positivo), rilasciando elettroni che generano corrente elettrica nel circuito esterno. Durante la ricarica, il processo si inverte, con gli ioni che tornano all’anodo.
Tuttavia, le somiglianze terminano qui, e le differenze chimiche e fisiche tra litio e sodio portano a proprietà e prestazioni distinte. Lo ione sodio è significativamente più grande di quello litio. Questo ha implicazioni cruciali:
- mobilità: gli ioni di sodio, essendo più grandi, tendono a muoversi più lentamente attraverso l’elettrolita e all’interno dei materiali degli elettrodi. Questo può influenzare la densità di potenza (quanto velocemente la batteria può erogare o assorbire energia) e la velocità di ricarica;
- materiali degli elettrodi: a causa delle loro dimensioni maggiori, gli ioni di sodio richiedono spazi reticolari più ampi nei materiali degli elettrodi per l’intercalazione (l’inserimento degli ioni all’interno della struttura cristallina). Ciò significa che i materiali catodici e anodici utilizzati nelle batterie al sodio sono diversi da quelli impiegati in quelle al litio. Mentre le Li-ion utilizzano comunemente grafite per l’anodo e ossidi di metalli di transizione come LCO, NMC o NCA per il catodo, le Na-ion spesso impiegano carbonio duro per l’anodo e materiali come Prussian Blue Analogs (PBA), ossidi a strati di sodio-metallo o polianionici per il catodo.
- potenziale standard: il potenziale elettrochimico standard del sodio è leggermente inferiore rispetto a quello del litio. Questo si traduce in una tensione media di cella inferiore per le batterie al sodio (tipicamente 2.5−3.5V) rispetto a quelle al litio (tipicamente 3.7−4.2V). Una tensione inferiore, a parità di corrente, implica una minore densità energetica, che è uno dei motivi per cui le batterie al sodio non raggiungono le stesse autonomie delle batterie al litio più performanti;
- come menzionato in precedenza, le batterie al sodio tendono a essere intrinsecamente più sicure. Il sodio ha un potenziale di reazione con l’elettrolita meno violento rispetto al litio in caso di surriscaldamento o danni. Inoltre, il sodio può essere estratto senza la necessità di un’estrema disidratazione, a differenza del litio, rendendo il processo produttivo potenzialmente meno pericoloso.
Gli svantaggi delle batterie al sodio
Come per ogni tecnologia, non è tutto oro quello che luccica. Tra gli svantaggi, infatti, troviamo:
- densità energetica inferiore: attualmente, la principale limitazione delle batterie al sodio è la loro densità energetica inferiore rispetto alle migliori batterie agli ioni di litio. Ciò significa che, a parità di peso e volume, una batteria al sodio immagazzina meno energia, traducendosi in un’autonomia ridotta per i veicoli elettrici o la necessità di pacchi batteria più grandi e pesanti. Per i veicoli elettrici di fascia alta o con elevate esigenze di autonomia, questo rimane un ostacolo;
- ciclabilità: sebbene i progressi siano rapidi, la ciclabilità delle batterie al sodio (quanti cicli di carica/scarica possono sopportare prima di un degrado significativo della capacità) non ha ancora raggiunto in modo consistente i livelli delle migliori batterie al litio. La ricerca è focalizzata sul miglioramento di questo aspetto;
- velocità di carica: a causa della maggiore dimensione degli ioni di sodio e della conseguente minore mobilità, la velocità di carica delle batterie Na-ion può essere inferiore rispetto a quelle al litio, anche se i miglioramenti sono costanti;
- eco-impronta di alcune chimiche: anche se il sodio è abbondante, alcune delle chimiche più promettenti per i catodi (es. Prussian Blue Analogs) possono contenere ferro e cianuro, e questo potrebbe avere delle implicazioni a livello di smaltimento che dovranno essere affrontate con attenzione.
In conclusione, le batterie al sodio non sono destinate a sostituire completamente quelle al litio in tutte le applicazioni, ma piuttosto a integrarle, offrendo una soluzione economicamente più vantaggiosa e sicura per segmenti di mercato specifici, come i veicoli elettrici urbani, le auto di fascia media, i veicoli commerciali leggeri e i sistemi di accumulo di energia stazionari. La loro diffusione nei prossimi anni dipenderà molto dalla capacità di migliorare ulteriormente la densità energetica e la ciclabilità, mantenendo il vantaggio sui costi.
