Le Batterie al sale europee
- h2worlddaa
- 3 mar
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Aggiornamento: 2 apr
Le batterie agli ioni di sodio (SIB) stanno emergendo come un'alternativa sostenibile e conveniente alle batterie agli ioni di litio. Dopo anni i ricercatori e sviluppatori hanno la possibilità che si sblocca le batterie per il futuro dell'accumulo di energia.
Una breve storia delle batterie agli ioni di sodio
Le batterie agli ioni di Sodio (SIB) rappresentano una promettente alternativa alle batterie agli ioni di litio (LIB);
Lo ione sodio è un buon candidato per l'accumulo di energia per molteplici ragioni. Il sodio è molto più economico e 1000 volte più abbondante sulla Terra rispetto al litio, e i catodi disponibili utilizzano anche materiali abbondanti sulla Terra, allontanandosi dai rischi della catena di fornitura di nichel e cobalto nelle batterie agli ioni di litio. La chimica dello ione Sodio è basata sull'intercalazione proprio come le batterie agli ioni di litio; gli ioni Sodio viaggiano avanti e indietro tra l'anodo e il catodo trasportando carica ed energia. La somiglianza con le batterie agli ioni di Sodio dal punto di vista meccanico, delle prestazioni e della produzione ha consentito un trasferimento semplificato delle conoscenze e uno sviluppo e una commercializzazione accelerati. Le batterie agli ioni di sodio attuali hanno una densità energetica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio, il che le rende un candidato valido per sistemi di accumulo di energia stazionari su larga scala.
Sia i catodi agli ioni di litio che quelli di Sodio sono stati scoperti più o meno nello stesso periodo. Tuttavia, la ricerca sugli ioni di Sodio è stata ostacolata dalla mancanza di un anodo di intercalazione adatto. Intorno al 2000, la scoperta del carbonio duro (HC) come materiale per l'anodo ha suscitato un rinnovato interesse per le SIB. Gli anni 2010 hanno visto una rapida crescita, molto probabilmente dovuta alla spinta per le alternative alle LIB, con conseguente sviluppo di nuovi materiali per i catodi, assemblaggio di celle complete e diverse startup focalizzate sulla commercializzazione. Le prime SIB cilindriche 18650 sono state assemblate nel 2015 con un catodo Na3V2(PO4)2F3 (NVPF) e un anodo HC attraverso la collaborazione di diverse istituzioni nell'ambito della rete francese per l'accumulo elettrochimico (R2SE). Gli sforzi di commercializzazione hanno prodotto celle a sacchetto da 1-5 Ah da Faradion, la prima azienda a commercializzare le SIB; una dichiarazione di 10.000 SIB prodotte da Tiamat, la startup nata da R2SE; e l'annuncio di un'installazione di batterie da 100 kWh per l'arbitraggio energetico da parte della società cinese HiNa. La modellazione basata sulla fisica può svolgere un ruolo unico e importante nello sviluppo in corso di SIB.
Il primo modello pseudo-bidimensionale (P2D) basato sulla fisica per le batterie agli ioni di Sodio è stato pubblicato nel 2022 da Chayambuka et. al. Il modello utilizza il framework generalizzato del modello P2D Doyle-Fuller-Newman per le batterie agli ioni di litio, che prevede le prestazioni e la dinamica delle batterie a intercalazione. Il lavoro di modellazione è stato abbinato a esperimenti su una batteria al sodio con un catodo costituito da particelle NVPF, un anodo HC e un elettrolita 1 M NaPF6 EC 0,5 : PC0,5 (p/p). La reazione per NVPF è:
Na3VIII2(PO4)2 <--> F3 NaVIV2 (PO4)2F3 + 2Na+ + 2e−
dove 2 Na+ vengono trasferiti per ogni unità di NVPF, con una capacità di 128 mAh/g. HC è un carbonio non grafitico con una struttura complessa: hanno strati simili al grafene all'interno di una fase microporosa amorfa. Il trasferimento di carica avviene tramite adsorbimento su strati di grafene e riempimento dei meso- e nano-pori. Esistono molteplici meccanismi proposti per HC, che possono dipendere dal precursore e dalle proprietà strutturali, e questa rimane un'area di ricerca attiva. La capacità specifica di HC è di circa 300 mAh/g, simile a quella della graffite nelle LIB.
La parametrizzazione dei modelli può essere difficile e complessa, ma rimane una componente chiave per garantire modelli di batteria accurati. Per creare un set di parametri di base predittivi sperimentalmente, gli autori del modello SIB P2D hanno utilizzato tecniche sperimentali e stime dei parametri su dati GITT e ciclici a mezza e a cella intera, nonché misurazioni dell'elettrolita e simulazioni di meccanica statistica per le proprietà di trasporto. Lo schema per la batteria agli ioni di sodio può essere trovato nella figura sopra, tratto direttamente dal loro lavoro. È stata utilizzata una configurazione a 3 elettrodi con un elettrodo di riferimento agli ioni di Na per misurare individualmente le tensioni degli elettrodi e l'output del modello è stato ottimizzato su quello anziché sulla tensione totale della batteria per ridurre al minimo l'errore. I parametri rilevanti e i dettagli del processo possono essere trovati nei loro documenti sperimentali e di modellazione (rif. 1 e 2).
Questo lavoro evidenzia la potenza dei modelli basati sulla fisica opportunamente parametrizzati; le previsioni del modello per velocità da 0,1C a 1,4C erano inferiori al 2% di errore rispetto alle curve sperimentali e inferiori a 50 mV di errore assoluto. Gli autori hanno scoperto che la resistenza di contatto diventa importante a velocità più elevate per previsioni accurate. Inoltre, le prestazioni ad alta velocità sono state ostacolate da un trasporto di massa scadente sia negli elettrodi che nell'elettrolita. I risultati suggeriscono che la riduzione delle dimensioni delle particelle nell'elettrodo HC migliorerà le prestazioni ad alta velocità mentre si è scoperto che la diffusione all'interno delle particelle NVPF limita il trasporto di massa.
La figura sottostante riproduce lo studio C-rate di Chayambuka et al. Il
Il panorama delle batterie agli ioni di Sodio si sta evolvendo rapidamente, poiché le aziende leader innovano per soddisfare la crescente domanda di soluzioni energetiche sostenibili. Questo sviluppo è una risposta alla crescente necessità di alternative alle tradizionali batterie agli ioni di litio . Entro il 2033, si prevede che il mercato globale delle batterie agli ioni di Sodio passerà da 438 milioni di dollari nel 2024 a oltre 2 miliardi di dollari, crescendo a un tasso di crescita annuo composto del 21,68%. Ecco le principali aziende di batterie agli ioni di sodio nel 2025:
Altris AB
La svedese Altris AB ha introdotto una cella di batteria agli ioni di Sodio di dimensioni commerciali che offre una densità energetica paragonabile alle batterie agli ioni di litio LFP . Collaborando con Clarios per usi automobilistici a bassa tensione e Polarium per l'accumulo di energia, Altris AB sta aprendo la strada ad adattamenti pratici agli ioni di Sodio.
Mentre il mercato delle batterie agli ioni di Sodio si evolve, queste sei aziende stanno guidando la carica con innovazioni e partnership rivoluzionarie. Le loro tecnologie promettono di fornire soluzioni energetiche sostenibili, aprendo la strada a un futuro meno dipendente dalle batterie agli ioni di litio .
TIAMAT , con sede in Francia, sviluppa batterie agli ioni di Sodio adatte alla mobilità e all'accumulo di energia stazionario. Le loro batterie hanno attirato l'attenzione per la loro capacità di caricarsi in soli cinque minuti e per i loro elevati standard di sicurezza. TIAMAT ha recentemente ottenuto 30 milioni di euro per stabilire una fabbrica in grado di produrre 5 GWh di batterie agli ioni di Sodio all'anno in Francia.
Northvolt sta facendo scalpore con una batteria agli ioni di Sodio che supera una densità energetica di 160 Wh/kg. Questa azienda svedese produce batterie senza fare affidamento su metalli critici. Invece, utilizza materiali abbondanti e a basso costo, rendendo le sue soluzioni sia economiche che sostenibili.
Faradion Limited, un'azienda britannica, è specializzata nella tecnologia delle batterie agli ioni di Sodio non acquose . Queste batterie sono progettate per applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici e accumulo di rete. I prodotti Faradion si distinguono per la loro lunga durata e la capacità di funzionare in un ampio intervallo di temperature.
Piccoli impianti pilota e grandi progetti
Attualmente sono in funzione principalmente impianti pilota e si stanno avviando alcune fabbriche più piccole, che producono solo pochi gigawattora (GWh) di batterie agli ioni di Sodio all'anno, ma le capacità annunciate pubblicamente da vari produttori di materie prime e batterie ammontano a ben oltre 100 GWh entro il 2030. Entro il 2025, si potrà sviluppare una capacità significativamente maggiore di quella finanziata finora se si troveranno investitori nel corso del 2024. La previsione di una conversione radicale di gran parte del settore a una nuova tecnologia in pochi anni può sembrare audace, ma solo negli ultimi cinque anni, ciò è accaduto due volte nel settore delle batterie con NMC811 e LFP. Gli ioni di Sodio richiedono a malapena una nuova tecnologia di impianto, solo materiali di partenza e parametri di produzione diversi.
Risparmi significativi rispetto al LFP sono inizialmente improbabili
Attualmente non esiste una tecnologia di batterie conveniente con una densità energetica tra le batterie al piombo e quelle al litio. Secondo la ricerca IDTechEx, il costo medio delle celle per le batterie agli ioni di sodio è di 87 $/kWh, tenendo conto delle diverse chimiche. Entro la fine del decennio, il costo di produzione delle celle delle batterie agli ioni di sodio che utilizzano principalmente ferro e manganese probabilmente toccherà il fondo a circa 40 $/kWh, che sarebbero circa 50 $/kWh a livello di pacco. È probabile che le celle agli ioni di sodio inizialmente abbiano un prezzo maggiorato, ma IDTechEx prevede un calo del costo/prezzo nel breve termine attraverso efficienze di produzione, scala e sviluppo tecnologico. Tuttavia, le riduzioni dei costi a lungo termine diventano più difficili man mano che la tecnologia e la produzione diventano più consolidate e mature.
Il sodio non è la fine del litio
Per la maggior parte dei veicoli elettrici, la densità di energia volumetrica è la prima o la seconda priorità perché più spazio occupa una cella della batteria per una data densità di energia, meno celle puoi infilare sotto un veicolo, limitando l'autonomia. Per l'accumulo di rete, lo spazio occupato dai pacchi batteria non influisce sulla loro fattibilità commerciale e la priorità è il costo per kWh per ciclo. L'accumulo di energia commerciale riguarda il controllo dei costi ed è qui che gli ioni di sodio possono potenzialmente dominare altre sostanze chimiche. Il potenziale maggiore nelle applicazioni di trasporto per le batterie agli ioni di Sodio esiste ovunque la densità di energia delle batterie al litio non sia completamente utilizzata. Ciò include quasi tutte le auto elettriche con una cosiddetta autonomia standard, ovvero una capacità della batteria ridotta rispetto ai modelli più costosi della stessa costruzione. Lì, le batterie al sodio con velocità di ricarica più elevate e una minore perdita di capacità a basse temperature potrebbero rappresentare un'alternativa molto interessante. Soprattutto, grazie a questa tecnologia di accumulo di energia alternativa, le batterie al litio saranno disponibili dove sono veramente indispensabili.
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