CATL sorprende con le sue batterie agli ioni di sodio

Il gruppo cinese a partire dal 2023 avrà pronte celle più economiche e sicure di quelle agli ioni di litio e, con la nuova AB battery, si prepara a proporre batterie miste che rilanceranno anche il suo cavallo di battaglia LFP

Lo stimato fondatore Robin Zeng durante l’Assemblea Generale del 21 maggio aveva comunicato agli azionisti del suo gruppo che a luglio sarebbe avvenuto il lancio di una batteria diversa dal nocciolo duro della produzione attuale: una cella agli ioni di sodio.

Zeng e il team di ricerca e sviluppo CATL, che conta ben 5.000 ingegneri, hanno mantenuto la promessa e sono andati anche oltre nel presentare la batteria AB, in cui coesisteranno le nuove celle con quelle convenzionali agli ioni di litio.

Dopo una fase pionieristica di celle dalle chimiche variegate che lavoravano ad alte temperature, la cella agli ioni di sodio adatta a temperatura ambiente è nata sostanzialmente in Francia: grazie ai consorzi CNRS (French National Centre for Scientific Research) e CEA (French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) che hanno dimostrato fin dai primi esemplari di cella cilindrica formato 18650 con anodo hard carbon e catodo NVPF (Na3V2(PO4)2F3) un potenziale interessante.

Come ha sottolineato un recente paper firmato anche dal Direttore dell’Helmholtz Institute di Ulm Stefano Passerini, sull’elettrodo positivo si sono sviluppate strade alternative, con chimiche layered oxide e basate su analoghi del Blu di Prussia proposte da Faradion, Hi−Na, Natron Energy, Sharp Laboratories e Novasis Energies.

Quello che resta fermo per il momento è la scelta dell’hard carbon come anodo. Preferito (tranne per la cella Natron Energy e quella Hi-Na) in questo settore, dopo essere stato preso in considerazione negli Anni ’80 anche per le celle agli ioni di litio prima del ricorso quasi plebiscitario alla grafite, che non è adeguata come materiale degli anodi delle celle agli ioni di sodio per le dimensioni degli atomi di questo materiale, che creano problemi nei meccanismi di inserzione negli elettrodi che si ripetono durante i cicli di vita.

Nel caso di CATL si è applicata per la sua cella agli ioni di sodio ad analoghi del Bianco di Prussia, con contenuto rilevante di ferrocianuri, con una capacità specifica più alta (160 mAh/g-1) rispetto ad altre alternative e con un lavoro di ingegnerizzazione della struttura degli elettroni e particolare attenzione al modo in cui le superfici interagiscono durante i processi elettrochimici. Il lavoro del centro ricerche ha secondo l’azienda messo sotto controllo i problemi di deterioramento rapido dei materiali durante i cicli di vita della cella.

Quanto ai materiali per gli anodi, CATL ne ha sviluppato uno in hard carbon dalla struttura favorevole quanto a capacità (350 mA h g−1 contro 372 mA h g−1 per la grafite delle celle agli ioni di litio) e porosità, una necessità preminente per una cella agli ioni di sodio considerato che questa materia prima ha dimensioni molto più grandi del litio e quindi i suoi “viaggi” durante le fasi di carica e scarica richiedono lo spostamento di una massa maggiore con problemi che affliggono il loro movimento. Il team di ricerca sembra essere sceso a patti con questo e altri svantaggi dell’hard carbon, quali bassa efficienza coulombica e instabilità della SEI (solid electrolyte interphase).

Lo sviluppo e in futuro la commercializzazione di una cella che per gli elettrodi negativi si serve di hard carbon sembra anche promettente per il contributo potenziale alla sostenibilità: non sappiamo se l’anodo di CATL sia già da includere tra questi, ma numerosi studi hanno dimostrato la possibilità di usare per gli anodi materiale di scarto, incluso legno, il che da un punto di vista sia dei costi che della filiera della fornitura apre buone prospettive.

Quasi senza eccezioni, per le celle agli ioni di sodio gli addetti ai lavori vedono un buon potenziale soprattutto negli impianti di accumulo e anche nel segmento di veicoli con autonomie al di sotto dei 300 chilometri misurati con l’ottimistico ciclo NEDC: come dire tutte o quasi le due ruote elettriche, citycar e il settore dei furgoni per le consegne urbane, di per sé tre spazi dai volumi interessanti per qualunque costruttore, e quindi produttore di celle.

Secondo Zeng un periodo compreso tra i 3 e i 5 anni sarà adeguato a portare a compimento la creazione di una filiera industriale matura per raccogliere i frutti di un prodotto in grado di dimostrare il potenziale di queste batterie a minore densità di energia.

Per quanto riguarda il tetto di densità energetica attuale, CATL ha rivelato valori di 160 Wh/kg per la cella agli ioni di sodio che entrerà in produzione dal 2023 e un traguardo successivo di 200 Wh/kg. La britannica Faradion ha già pubblicizzato un proprio prodotto top di gamma in grado di raggiungere 160 Wh/kg.

Può essere utile ricordare che i dati del MIIT (il ministero di Pechino che provvede alle omologazioni di auto, batterie e tutto quello che si muove) nelle sue comunicazioni periodiche rivela che oggi nel paese asiatico la densità gravimetrica media della flotta di auto elettriche è 147 Wh/kg, mentre per le ibride ricaricabili si scende a 120 Wh/kg.

Se questa è la media, per il top di gamma come quello annunciato dal fornitore Daimler Farasis a inizio aprile, si sale a 330 Wh/kg. In Cina è anche richiesta una densità di energia gravimetrica minima di 140 Wh/kg a livello pacco (che vuol dire che quella della cella deve essere superiore) per accedere ai sussidi nazionali.

Se non possiamo cercare i vantaggi del sodio nella densità di energia, ne ha però altri e sostanziali. Anzitutto, in un periodo come l’attuale in cui si leggono continuamente foschi moniti di una possibile stretta alle materie prime (ultima quella di Wolfgang Bernhart, principale esperto di innovazione automotive in Roland Berger che teme gli effetti sulla filiera upstream di oltre 1.000 GWh di capacità pianificata per le Gigafactory del 2030) il sobrio sodio rappresenta il 2,36% dei materiali disponibili nella crosta terrestre mentre il litio è una percentuale di appena lo 0,002%; inoltre è uniformemente distribuito.

Non guasta che una cella agli ioni di sodio possa utilizzare il modesto elluminio come collettore di corrente al posto del più costoso rame, che un articolo del Sole 24 Ore ha da poco definito il nuovo petrolio per il suo ruolo di materia prima ubiqua nel decidere costi e fortune di tanti settori anche distanti tra loro.

I costi per cella previsti nella produzione su larga scala a cui punta CATL prima di metà decade sono compresi in un range tra 0,2 e 0,3 yuan/Wh, che per fabbriche incentrate su produzioni più limitate potrebbero tradursi in valori attorno agli 0,5 yuan/Wh. Secondo gli esperti dell’ICCT (l’organizzazione che ha svelato il dieselgate) i costi cinesi a livello pacco batteria, pertanto leggermente superiori a quelli della singola cella, raggiungeranno gli 0,4 yuan/Wh (circa $59/kWh) solo nel 2030, mentre lo scorso anno erano a 0,90 yuan/Wh, circa $130 al kWh.

Lo scorso anno CATL aveva creato a Ningde dove ha sede, il 21C Innovation Lab con un investimento di 3,3 miliardi di yuan incentrato su batterie oltre gli attuali ioni di litio: ovvero con anodi al litio metallico, con elettroliti allo stato solido, ma anche sviluppando il concetto degli ioni di sodio. E Qisen Huang, giovane responsabile del centro ricerche, non si è fatto pregare per spiegarli nel corso dell’evento online di oggi.

Il pacco della AB Battery CATL mescola in percentuali diverse celle prismatiche agli ioni di litio, di colore azzurro e le nuove agli ioni di sodio, in grigio (credito immagine: screenshot da “Tech Zone” CATL )

Le celle agli ioni di sodio promettono capacità di ricarica ultra-veloce senza stress particolari alla SEI o ad elettroliti ed elettrodi, nonché cicli di vita eccellenti. CATL promette celle in grado di ricaricare in 15 minuti all’80% della capacità senza conseguenze sulla durata della vita del prodotto.

Natron Energy coi sui catodi in Blu di Prussia è in grado di ricaricare in 8 minuti una cella che durerà 50.000 cicli, mentre alla francese Tiamat Energy occorrono solo 5 minuti per ricaricare celle con catodi poli-anionici in grado di arrivare a oltre 5.000 cicli, il tutto come effetto delle caratteristiche di minore densità e di cinetica del sodio in grado di reggere l’impatto con potenze elevate di energia nella ricarica.

Ma Qisen Huang ha anche spiegato molto chiaramente che CATL prevede uno spazio maggiore per le celle agli ioni di sodio rispetto a quanto ipotizzato dalla media degli addetti ai lavori. Infatti celle in sodio si prospettano come un prezioso aiuto al cavallo di battaglia del gruppo delle batterie cinese: le economiche LFP. La AB battery come concepita da CATL, sarà un pacco batterie per veicoli elettrici che integrerà in proporzioni prestabilite celle agli ioni di litio a base ferrosa e celle agli ioni di sodio.

Anche se la densità di energia della singola cella al sodio sarà marginalmente inferiore a quella LFP (ma come sappiamo ugualmente competitiva grazie ai formati Cell-to-pack), il sodio non ha alcun problema alle basse temperature. Pertanto può compensare uno svantaggio delle celle LFP, che soffrono il freddo, all’interno del pacco batterie per auto impegnate da climi invernali particolarmente probanti.

Insomma l’aiuto delle celle agli ioni di sodio verso la metà della decade potrebbe consentire a CATL di rivelarsi ancora più competitiva anche in settori dove sembrava che il suo prodotto di punta dovesse cedere alle alternative high-nickel. Quanto alla coesistenza di celle agli ioni di litio e sodio, sarà affidata agli algoritmi messi a punto dai tecnici nei BMS, le centraline che gestiranno le AB battery miste.

Credito foto di apertura: sito web CATL