Batterie agli ioni di sodio

4.2.4 Batterie agli ioni di sodio

È stato precedentemente evidenziato come lo stoccaggio di energia sia diventato un tema riguardante il nostro benessere nella vita quotidiana, e come le sfide per gli studiosi degli accumulatori siano diventate duplici. In primo luogo, si risconta la crescente domanda di sistemi di alimentazione di dispositivi elettronici portatili e veicoli a zero emissioni, e la costante crescita nella ricerca di sistemi per l’alta energia e di tensione. In secondo luogo, sono necessarie batterie a basso costo per avanzare verso le Smart Grids che integrano il flusso di energia discontinua da fonti rinnovabili, ottimizzando le prestazioni delle fonti di energia pulite. Le batterie agli ioni di sodio si propongono come la chiave risolutiva alla seconda soluzione. L’enorme disponibilità di sodio, il suo prezzo basso e la somiglianza con la tecnologia al litio permetteranno a questa nuova tipologia di accumulatore di affermarsi nel campo dello storage.

Nonostante la bassa densità di energia delle tecnologie basate su ioni di Na, possono essere utilizzate per applicazioni come lo stoccaggio della rete elettrica. Molto lavoro deve ancora essere fatto nel campo del Na-ion per raggiungere la tecnologia Li-Na-ion, sia nel campo dei materiali anodici che devono essere ottimizzati che nei nuovi elettroliti, tuttavia si è voluto mettere in relazione questo tipo di nuovo accumulatore con le tecnologie esistenti per valutarne gli impatti sull’ambiente e l’utilizzo di risorse.

L’attenzione principale per questo nuovo tipo di batteria è rivolta principalmente alla soluzione che porterebbe nel campo del costo degli accumulatori e riguardo alla scarsità delle risorse di litio alle quali si sta andando incontro. Fino ad ora, le batterie agli ioni di litio hanno attratto attenzione nello stoccaggio di energia, ma recentemente sono emerse preoccupazioni sulla disponibilità delle risorse di litio e quindi sui costi futuri che si potranno generare sulla materia prima. La scarsità del litio viene evidenziata non tanto guardano alle riserve mondiali ad oggi disponibili ma alla rapidissima crescita della richiesta, quindi alla luce dei previsti ordini di aumento nell’uso del litio nelle batterie a basse emissioni e nei veicoli ibridi ed elettrici (EV). Mentre tuttora l’estrazione del litio risulta essere ancora modesta, si prevede un rapidissimo aumento nei prossimi 30 anni e la domanda che molti studiosi si propongono è quella riguardo al prezzo che la risorsa otterrà con questo ingente aumento. Inoltre, è di fondamentale importanza evidenziare come le riserve di litio si trovino in zone del pianeta remote oppure politicamente sensibili. Ciò determinerà il futuro costo della risorsa, le tempistiche di estrazione e l’elaborazione di risorse di qualità inferiore, con il conseguente ingente investimento di capitali nel settore minerario.

Figura 14: Mappa mondiale delle riserve di litio (Wordpress.com, 2015)

Come si può evincere dalla mappa mondiale delle riserve del litio, la Bolivia è lo stato con le quantità maggiori disponibili, quantificate in 9 milioni di tonnellate di litio. La corsa all’oro bianco, cosi definito da numerosi studiosi, è già iniziata e numerosi paesi come Cina e Stati Uniti che stanno già provvedendo a mettere in atto piani strategici che gli assicureranno possedimenti minerari di litio, risorsa che sembra sempre più affermarsi

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con numeri che tendono a quelli del petrolio. Le previsioni degli studiosi prevedono le riserve di litio sufficienti per la produzione di un miliardo di batterie per veicoli da 40 kWh, ma che questo valore possa ere vicino al limite massimo. Se tale crescita porterà alla conferma dei risultati sarà indispensabile il riciclo del litio. Quindi mentre si definisce il dibattitto sulla fattibilità e l'impatto ambientale del litio, in parallelo si sta sviluppando la tecnologia a base di composti di sodio capace di porsi come sostituto a basso prezzo e largamente disponibile. Il sodio risulta illimitatamente disponibile e facilmente reperibile ovunque, questo lo svincola da ragioni di tipo socioeconomiche che si generano per il litio ed in altre risorse localizzate in determinate aree geografiche.

Inoltre, la chimica che riguarda le celle a ioni di sodio risulta essere molto simile a quella delle batterie a litio, e ciò consente l’utilizzo di componenti simili in entrambe le celle. (19)

Inoltre, se si sviluppasse una batteria ricaricabile agli ioni di sodio con buone caratteristiche prestazionali si avrebbe vantaggio di utilizzare sistemi di elettroliti con un inferiore potenziale di decomposizione dovuto al maggiore potenziale di semi-reazione del sodio rispetto al litio. Con queste ipotesi potrebbero quindi essere utilizzati elettroliti a base acquosa che risulterebbero più economici di quelli organici attualmente utilizzati. Considerando gli studi attuali, le celle agli ioni di sodio non sempre riescono a soddisfare le densità di energia delle batterie agli ioni di litio. Innanzitutto, perché il peso equivalente del sodio è maggiore di quello del litio, e in secondo luogo il potenziale di ionizzazione che risulta influenzato dal raggio ionico è maggiore nel sodio rispetto al litio. Tuttavia, le densità di energia riportate sono già superiori a quelle dei LIB (ioni di litio) esistenti al litio ferro fosfato-litio titanato (LFP – LTO) e ci si aspetta che superino anche quelli dei LIB litio ferro fosfato-grafite (LFP – C). (19)

Tabella 2: Caratteristiche chimiche principali di Sodio e Litio (Brian l. et.al, 2012)

Pertanto, gli accumulatori a base di Na avranno difficoltà a competere con le cellule a base di Li in termini di densità di energia. Tuttavia, possono essere considerati per l'uso in applicazioni in cui il requisito di peso e ingombro non è rilevante, come lo stoccaggio di off-peak e per le applicazioni in sostegno alle energie rinnovabili, come parchi eolici e solari. Inoltre, nelle batterie agli ioni di sodio SIB viene utilizzato l’alluminio al posto del rame e questo si aggiunge ai precedenti vantaggi dotando la batteria di un minor impatto ambientale.

Recenti studi computazionali di che riguardano: barriera di tensione, stabilità e diffusione sia della Na-ion che della Li-ion, indicano che i sistemi Na-ion possono essere competitivi al 100% con quelli al litio. (20)

I dettagli e le caratteristiche dalla cella oggetto d’analisi verranno presentate nei capitoli successivi con la modellazione dei singoli componenti in ambiente SimaPro, capitolo 5.1. In Figura 15 è visibile uno schema compositivo della batteria agli ioni di sodio.

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