Novità sugli elettroliti per le batterie agli ioni di sodio

Avanzano rapidamente le ricerche e i primi test presso il Pacific Northwest National Laboratory per far evolvere un nuovo elettrolita in grado di stabilizzare ed allungare la vita alle celle agli ioni di sodio

Economico e abbondante, il sodio è un candidato promettente per la nuova tecnologia delle batterie che ha attirato ormai da tempo interesse al suo sviluppo da parte di startup come le europee Tiamat e Faradion, ma anche del colosso globale cinese CATL, che sta progettando di vendere batterie ibride con celle agli ioni di litio in coabitazione con a celle al sodio.

Molto sicure, le prestazioni delle batterie agli ioni di sodio quanto a valori assoluti faticano ancora a reggere la concorrenza di quelle al litio, il che ha ostacolato la loro applicazione su larga scala. Nei giorni scorsi è stato reso noto che un gruppo di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory sostenuto dal Dipartimento dell’Energia americano ha sviluppato una batteria agli ioni di sodio con una longevità notevolmente estesa nei test di laboratorio grazie a elettroliti studiati ad hoc.

I risultati, descritti in un paper da poco pubblicato sulla rivista scientifica Nature Energy secondo gli autori forniscono una ricetta promettente per una batteria che un giorno potrebbe alimentare veicoli elettrici e immagazzinare energia dal sole.

“Qui, abbiamo dimostrato in linea di principio che le batterie agli ioni di sodio hanno il potenziale per essere una tecnologia delle batterie di lunga durata e rispettosa dell’ambiente”, ha dichiarato l’autore principale del gruppo di ricerca del PNNL Jason Zhang, un pioniere delle tecnologie delle batterie con oltre 23 invenzioni brevettate nelle tecnologie di accumulo di energia.

Nelle batterie, l’elettrolita come noto è la linfa circolante che mantiene il flusso di energia. L’elettrolita si forma sciogliendo i sali in solventi, risultando in ioni carichi che fluiscono tra gli elettrodi positivi e negativi. Ma nel corso del tempo e con l’attività ripetuta, le reazioni elettrochimiche che mantengono il flusso di energia possono diventare lente e le prestazioni della batteria declinano.

Nella attuale tecnologia delle batterie agli ioni di sodio, questo processo è stato in più casi riscontrato essere soggetto a prodursi più velocemente rispetto a batterie agli ioni di litio di simili caratteristiche. Il team PNNL, guidato dagli scienziati Yan Jin e Phung Le, ha preso di petto il problema cambiando la soluzione liquida e il tipo di sale che scorre attraverso di essa per creare una “ricetta” elettrolitica completamente nuova.

(Animazione di Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory)

Nei test di laboratorio, gli elettroliti alternativi hanno garantito più durevolezza, mantenendo il 90% della capacità della cella dopo 300 cicli a 4,2 V, che è superiore alla maggior parte delle batterie agli ioni di sodio precedentemente confermati.

L’attuale ricetta elettrolitica per le batterie agli ioni di sodio in molti casi provoca invece nel tempo la dissoluzione del film protettivo sull’anodo, realizzato con hard carbon come in molte celle basate sul sodio.

Ma questa pellicola è fondamentale perché consente agli ioni di sodio di passare attraverso preservando la durata della batteria. La tecnologia progettata al PNNL funziona stabilizzando questo film protettivo, che gli addetti ai lavori chiamano SEI, ovvero solid–electrolyte interphase. Il nuovo elettrolita genera anche uno strato protettivo ultrasottile sul catodo con chimica NMC, che contribuisce a una maggiore stabilità dell’intera unità.

La nuova tecnologia degli elettroliti calibrato per le celle agli ioni di sodio sviluppata da PNNL utilizza una soluzione naturalmente auto-estinguente che è anche impermeabile alle variazioni di temperatura e può funzionare ad alte tensioni.

Una chiave di questa caratteristica è lo strato protettivo ultra-sottile che si forma sull’anodo. Questo strato ultrasottile rimane stabile una volta formato, assicurando la lunga durata del ciclo riportata nell’articolo di ricerca.

“Abbiamo anche misurato la produzione di vapore di gas al catodo”, ha detto Phung Le, un chimico della batteria PNNL e uno degli autori principali dello studio. “Abbiamo riscontrato una produzione di gas molto minima. Ciò fornisce nuove informazioni per sviluppare elettroliti stabili per batterie agli ioni di sodio che possono funzionare a temperature elevate”.

Se la tecnologia agli ioni di sodio sconta ancora un ritardo rispetto al litio nella densità di energia, le sono già riconosciuti alcuni vantaggi: come l’impermeabilità ai cambiamenti di temperatura, la stabilità, la capacità di affrontare ricariche ultra-veloci e la lunga durata del ciclo, che sono preziosi per le applicazioni di alcuni veicoli elettrici leggeri e persino per l’accumulo di energia della rete in futuro.

Il team di ricerca americano continuerà a perfezionare il loro design. Il ricercatore Le ha osservato che il team sta sperimentando altri progetti nel tentativo di ridurre (a gioco lungo eliminare) la necessità di includere il cobalto, che è tossico e costoso se non recuperato o riciclato.

Oltre a Jin, Le e Zhang, l’intero team di ricerca del PNNL che ha firmato l’articolo uscito col titolo “Low-solvation electrolytes for high-voltage sodium-ion batteries” comprendeva Peiyuan Gao, Yaobin Xu, Biwei Xiao, Mark H. Engelhard, Xia Cao, Thanh D. Vo, Jiangtao Hu, Lirong Zhong, Bethany E. Matthews, Ran Yi, Chongmin Wang, Xiaolin Li e Jun Liu.

Credito foto di apertura: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory