Dal telefono cellulare ai veicoli elettrici, le batterie agli ioni di litio “muovono” il mondo. Il loro sviluppo è stato un passaggio fondamentale verso l’elettrificazione e il progressivo abbandono dei combustibili fossili, ma comporta un costo non trascurabile in termini di impatto ambientale sia per la produzione che per lo smaltimento. Con Concetta Busacca dell’Istituto di tecnologie avanzate per l’energia “Nicola Giordano” esaminiamo un’alternativa ad esse: le batterie agli ioni di sodio
Dal telefono cellulare ai veicoli elettrici, le batterie agli ioni di litio hanno numerose applicazioni. Si tratta di una tecnologia che è valsa il premio Nobel per la Chimica nel 2019 a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, gli scienziati che hanno contribuito allo sviluppo della batteria agli ioni di litio. Per capirne i vantaggi, è bene rivedere il principio di funzionamento generale di una batteria, un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica sottoforma di energia chimica, per poi rilasciarla a seconda delle necessità. “Una batteria è costituita da un anodo e un catodo terminali e da un elettrolita, ovvero un materiale che consente il passaggio degli ioni fra anodo e catodo”, spiega Concetta Busacca dell’Istituto di tecnologie avanzate per l’energia “Nicola Giordano” (Itae) del Cnr. “La batteria si connette al dispositivo da alimentare mediante un circuito esterno che collega il catodo all’anodo: nella fase di scarica, una reazione chimica all’anodo genera elettroni e ioni positivi, questi ultimi migrano attraverso l’elettrolita verso il catodo mentre gli elettroni viaggiano verso il catodo attraverso il circuito esterno, generando dunque una corrente elettrica. Durante la ricarica, viene applicata alla batteria una corrente elettrica esterna che spinge gli ioni nella direzione opposta, cioè dal polo positivo (catodo) al polo negativo (anodo), invertendo la reazione chimica che è avvenuta durante la scarica. In questo modo, la batteria viene ricaricata e resa pronta per un nuovo ciclo di utilizzo. Le batterie ricaricabili consentono quindi di sfruttare più volte lo stesso dispositivo senza che vengano sostituite, rendendole una soluzione conveniente e sostenibile per una vasta gamma di applicazioni, dalla telefonia ai veicoli elettrici, fino al settore stazionario. Nelle batterie agli ioni di litio, il litio si muove tra l’anodo e il catodo nelle fasi di carica e di scarica. Nella fase di carica, lo ione di litio (Li+) migra dal catodo verso l’anodo. Nella fase di scarica, il trasferimento avviene al contrario. Questa è anche la fase in cui il sistema eroga la corrente della batteria, fornendo l’energia necessaria al funzionamento dei diversi dispositivi di uso comune quali telefoni cellulari, automobili o computer portatili”.
Il punto di forza della batteria agli ioni di litio è la loro efficienza. Il litio è un metallo leggero, con una densità di 0.53g/cm3 e con un basso potenziale standard di riduzione, ovvero tende a ossidarsi generando Li+ ed elettroni, caratteristiche ottimali per raggiungere alte densità di energia e densità di potenza. “L’intero ciclo di vita delle batterie Li-ione può avere un impatto ambientale ed economico negativo poiché l’estrazione del litio e di altri metalli (es. cobalto e nickel), utilizzati per la loro produzione, richiede elevati consumi idrici ed energetici e la fine del loro ciclo di vita richiede un adeguato smaltimento dovuto al rilascio di sostanze chimiche tossiche nell’ambiente”, sottolinea la ricercatrice.
La prima batteria al litio commerciale risale al 1991, con un anodo costituito da carbon coke, un catodo a base di litio-cobalto ossido (LixCoO2) e un elettrolita costituito da esafluorofosfato di litio (LiPF6) in polipropilene carbonato, un solvente non acquoso con una finestra di stabilità elettrochimica maggiore rispetto all’acqua. Diversi ossidi metallici, elettroliti e materiali carboniosi sono stati studiati e testati in seguito per migliorare le prestazioni delle batterie e la loro sicurezza.
Secondo l’International Energy Agency (Iea), nel 2022 il materiale principalmente utilizzato è stato l’ossido misto di litio-nichel-manganese-cobalto che costituisce il 60% delle batterie presenti sul mercato, seguito dal litio ferro fosfato (30%) e dall’ossido misto di litio nichel, cobalto e alluminio per l’8% circa. Sempre nel 2022, Iea ha rilevato un incremento del 65% nella domanda delle batterie al litio per l’automotive rispetto al 2021. Litio, cobalto e nichel sono nella lista dei cosiddetti elementi critici (critical raw materials) stilata dalla Commissione Europea per l’impatto sociale, ambientale e geopolitico del loro approvvigionamento. Come mostrano i dati dell’Iea, nel 2022 la domanda di litio ne ha superato la produzione, con una richiesta pari al 60% per i veicoli elettrici, mentre la domanda di cobalto e nichel per la mobilità elettrica ammontava rispettivamente al 30% e al 10%. Da qui la necessità di studiare materiali alternativi più sostenibili con limitate quantità di elementi critici. In questo contesto, le batterie agli ioni di sodio vengono investigate come alternativa promettente alle tecnologie attualmente in commercio.
“Il costo dei materiali per la produzione di batterie agli ioni di sodio è significativamente inferiore rispetto alle batterie al litio, grazie alla disponibilità più ampia e alla distribuzione geografica favorevole del sodio. Inoltre, le batterie agli ioni di sodio sono più sicure rispetto alle loro controparti al litio, essendo meno reattive. Tuttavia, lo stato dell’arte per le batterie al sodio riporta una performance limitata in termini di densità di potenza e densità di energia rispetto alla tecnologia al litio”, chiarisce Busacca.
Il litio è intrinsecamente più leggero e ha una maggiore capacità di immagazzinamento di energia rispetto al sodio. “Le batterie agli ioni di litio hanno avuto decenni di ricerca e sviluppo per perfezionare la loro tecnologia, mentre le batterie al sodio sono ancora in uno stadio relativamente precoce di sviluppo. Con ulteriori progressi nella ricerca e nell’ingegneria, è possibile che le batterie al sodio possano superare alcune delle loro limitazioni attuali, classificandosi come valida alternativa alle batterie al litio per applicazioni nel settore stazionario, soprattutto nel contesto della produzione da fonti rinnovabili e nella mobilità elettrica urbana a corto raggio”, conclude l’esperta. “Sebbene ci siano ancora ostacoli da superare, le batterie agli ioni di sodio rappresentano un’opportunità interessante per ridisegnare il panorama dell’energia e della mobilità urbana, offrendo una soluzione ecologica e accessibile per le sfide energetiche del futuro”.
[Almanacco della Scienza N.4, aprile 2024]