Batterie di nuova generazione più sicure, affidabili e capaci di operare in condizioni estreme. È questo l’obiettivo della nuova frontiera di ricerca sviluppata da ENEA, che sta sperimentando soluzioni elettrolitiche innovative per le batterie agli ioni di sodio. Al centro dello studio, pubblicato sulla rivista scientifica Batteries, ci sono elettroliti più stabili e non infiammabili, progettati per superare uno dei principali limiti di questa tecnologia: la sicurezza. Gli elettroliti sono i componenti, generalmente liquidi, che consentono il movimento degli ioni all’interno della batteria e ne rendono possibile il funzionamento. Nelle batterie commerciali sodio-ione, così come in quelle agli ioni di litio, gli elettroliti convenzionali sono però infiammabili, possono diventare instabili alle alte temperature e sono soggetti a fenomeni di degradazione. Tutti fattori che possono incidere negativamente sulle prestazioni, sulla durata e sull’affidabilità dei dispositivi. In condizioni particolari, come un sovraccarico o un cortocircuito, questi fenomeni possono inoltre innescare processi che, nei casi più gravi, possono provocare l’incendio o persino l’esplosione della batteria.
La strategia degli elettroliti ibridi
Per affrontare il problema, ENEA ha sviluppato una strategia basata sulle tecnologie elettrolitiche ibride, che punta a combinare le caratteristiche dei liquidi ionici con quelle dei solventi organici utilizzati nelle batterie commerciali. “Si tratta di un nuovo approccio concettuale che combina i vantaggi dei liquidi ionici con quelli dei solventi organici commerciali per ottenere un elettrolita in grado di rendere la batteria più sicura e stabile, migliorandone al contempo le prestazioni. I primi test di laboratorio hanno finora mostrato risultati promettenti: abbiamo verificato che la nostra miscela elettrolitica consente di ampliare l’operatività delle batterie al sodio a temperature inferiori a -20°C”, spiega Giovanni Battista Appetecchi del Laboratorio Tecnologie e dispositivi per l’accumulo elettrochimico (ACEL) del Dipartimento Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili ENEA (TERIN). La ricerca si inserisce in un’attività di lunga esperienza nel campo dei liquidi ionici. Una competenza che, secondo ENEA, ha portato allo sviluppo di una procedura di sintesi scalabile, a basso costo e con un ridotto impatto ambientale.
“ENEA ha un’esperienza nel settore dei liquidi ionici riconosciuta a livello internazionale e consolidata da oltre 25 anni di attività di ricerca”, spiega Antonio Rinaldi, responsabile del Laboratorio ACEL. “Questa competenza ha consentito di sviluppare e brevettare una procedura di sintesi scalabile, a basso costo e a ridotto impatto ambientale, che utilizza l’acqua come unico solvente di processo e permette di ottenere liquidi ionici caratterizzati da elevata purezza e prestazioni. Ad oggi ne abbiamo sintetizzati oltre cento”.
Più stabilità anche a temperature estreme
I liquidi ionici, ovvero sali fusi a temperatura ambiente o a temperature inferiori, sono considerati materiali di particolare interesse per le applicazioni nel campo delle batterie e dell’elettrochimica. Tra le loro caratteristiche figurano l’assenza di evaporazione, la non infiammabilità, un buon potere solvente, una buona conducibilità ionica e un’elevata stabilità termo-chimico-elettrochimica. I test condotti da ENEA hanno inoltre evidenziato una buona resistenza a temperature superiori ai 70°C, condizioni difficilmente raggiungibili dalle batterie commerciali. In queste condizioni, i materiali hanno mantenuto la propria stabilità chimica, mostrando caratteristiche potenzialmente adatte a scenari operativi estremi. “Per questi motivi vengono considerati più sicuri rispetto ai comuni elettroliti organici utilizzati nelle batterie convenzionali, come quelle agli ioni di litio”, sottolinea Giovanni Battista Appetecchi.
La tecnologia presenta tuttavia anche una criticità. I liquidi ionici sono infatti caratterizzati da un’elevata viscosità: sono più densi e meno fluidi rispetto agli elettroliti tradizionali. Questa caratteristica può rallentare il movimento degli ioni, riducendo la conducibilità e, di conseguenza, l’efficienza del trasporto di carica all’interno della batteria. Questi materiali offrono grandi vantaggi in termini di sicurezza e stabilità, ma devono essere ottimizzati per superare il limite della minore mobilità ionica. “Ed è proprio ciò che perseguiamo nei nostri laboratori, prima sulle batterie al litio, ed ora su quelle al sodio che rappresentano una delle nuove frontiere dell’accumulo elettrochimico”, spiega Antonio Rinaldi.
Perché puntare sulle batterie agli ioni di sodio
Le batterie agli ioni di sodio rappresentano una delle tecnologie emergenti nel settore dell’accumulo elettrochimico e vengono studiate come possibile alternativa alle batterie agli ioni di litio, oggi ampiamente utilizzate nell’automotive, nei sistemi di accumulo stazionario dell’energia prodotta da fonti rinnovabili, nella stabilizzazione della rete elettrica e nelle smart grid.
Tra gli elementi di interesse c’è innanzitutto la maggiore disponibilità del sodio rispetto al litio, oltre 1.000 volte superiore. A questo si aggiungono il potenziale vantaggio in termini di costi e la possibilità di ridurre la dipendenza da alcune materie prime critiche, tra cui litio, rame, cobalto e nichel, la cui disponibilità e distribuzione geografica possono determinare una significativa dipendenza dalle forniture estere. Le batterie sodio-ione presentano inoltre comportamenti elettrochimici relativamente simili a quelli delle batterie al litio, con potenziali di reazione comparabili. Questo rende possibile lo sviluppo di dispositivi con prestazioni elettriche potenzialmente vicine a quelle delle tecnologie al litio. Un ulteriore elemento di interesse riguarda i collettori di corrente: nelle batterie al sodio è possibile utilizzare l’alluminio, più leggero ed economico, riducendo così il ricorso al rame tipicamente impiegato nelle batterie agli ioni di litio.
Dalla ricerca ai prototipi
La ricerca ENEA non si limita agli elettroliti, ma comprende diverse fasi della filiera di sviluppo delle batterie, dalla produzione dei materiali fino alla realizzazione e alla verifica dei prototipi. “Elettroliti a parte, le nostre attività coprono una parte rilevante della filiera di sviluppo delle batterie del futuro e vanno dalla sintesi dei materiali elettrodici alla realizzazione dei componenti di cella, fino al manufacturing e al testing prolungato di prototipi di batteria da 1 Ah. Nei prossimi mesi, grazie alle nuove infrastrutture rese disponibili dal progetto IPCEI EuBatIn, il laboratorio ACEL sarà in grado di realizzare anche prototipi da 10-30 Ah, una taglia vicina ad applicazioni commerciali, ampliando così ulteriormente le capacità di sviluppo e validazione tecnologica in ENEA”, conclude Antonio Rinaldi.
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