Batterie al sodio, chimica, funzionamento

Le batterie al sodio sono, secondo la I.U.P.A.C., una delle tecnologie emergenti con la maggiore capacità di aprire nuove opportunità nel campo della ricerca. Con l’aumento notevole della domanda di batterie dovuta alla rapida espansione dei veicoli elettrici, dei sistemi di accumulo di energia rinnovabile e dei dispositivi elettronici di consumo, stanno aumentando in modo significativo i requisiti prestazionali delle batterie, come l’aumento della densità energetica e dell’autonomia, la ricarica rapida e la sicurezza.

In generale una batteria è un dispositivo che immagazzina energia per cederla successivamente sotto forma di elettricità attraverso reazioni chimiche. Le batterie attualmente più utilizzate sono le batterie a ioni litio che possono fornire grandi quantità di corrente, non richiedono cicli programmati e non hanno effetto memoria, fenomeno che non consente di sfruttare completamente la capacità della batteria.

Le batterie al litio, tuttavia, presentano una serie di svantaggi, in particolare per quanto riguarda la sicurezza in quanto tendono a surriscaldarsi e possono essere danneggiate ad alta tensione. Inoltre a causa della crescente richiesta i prezzi del litio è aumentato in modo incontrollato. La ricerca si è pertanto indirizzata a nuovi tipi di batterie e, in particolare alle batterie al sodio.

litio
batterie al litio

Le batterie al sodio utilizzano lo ione sodio che appartiene allo stesso gruppo di elementi della Tavola Periodica del litio, ma a differenza di quest’ultimo è molto più disponibile.  Le batterie al sodio non possono fornire l’autonomia per i veicoli elettrici offerto dalle batterie agli ioni di litio, ma presentano il vantaggio di essere molto più economiche. Le ricerche hanno inoltre dimostrato che le batterie al sodio possono funzionare in modo più efficace a temperature elevate.

Funzionamento delle batterie al sodio

Le celle delle batterie al sodio sono costituite da un catodo basato su un materiale contenente sodio, un anodo e un elettrolita liquido contenente sali di sodio dissociati in solventi polari protici o aprotici. Durante la fase di carica, gli ioni di sodio vengono estratti dal catodo e portati all’anodo mentre gli elettroni si muovono attraverso il circuito esterno.

funzionamento batterie al sodio da Chimicamo
funzionamento batterie al sodio

Durante la fase di scarica, si verifica il processo inverso in cui gli ioni sodio vengono estratti dall’anodo e riportati al catodo mentre gli elettroni si muovono attraverso il circuito esterno. Il catodo è costituito da ossidi metallici che possono contenere sodio come, ad esempio, l’ossido di sodio e cobalto NaCoO2 o da materiali, come l’ossido di vanadio, con buone proprietà elettrochimiche come capacità specifica e stabilità, basso costo e disponibilità sul mercato.

L’anodo più utilizzato può essere costituito da un tipo di carbonio duro preparato mediante carbonizzazione ad alta temperatura di materia organica solida e precursori polimerici che presenta una microstruttura complessa costituita da strati paralleli simili al grafene incorporati in una fase amorfa microporosa.

Un altro tipo di anodo può essere costituito da ossidi o solfuri metallici e, in particolare disolfuri metallici stratificati o da nanocompositi formati da carbonio e leghe di antimonio e stagno.

Applicazioni delle batterie al sodio

Nonostante alcune problematiche relative soprattutto ai materiali usati come anodo che sono ad ora oggetto di studio si ritiene che entro il 2030 le batterie al sodio potrebbero rappresentare il 23% del mercato ma questa previsione potrebbe essere superata se i miglioramenti tecnologici accelerassero e si facessero progressi nella produzione.

prototipo 1 da Chimicamo
prototipo di batteria al sodio

Le batterie al sodio sono attualmente più costose da produrre rispetto alle batterie al litio a causa della mancanza di una catena di approvvigionamento sviluppata e di una filiera industriale consolidata ma hanno il potenziale per essere molto più economiche in futuro. Le ricerche suggeriscono che le batterie agli ioni di sodio saranno in grado di soddisfare la crescente domanda di accumulo di energia in modo sostenibile consentendo di immagazzinare energia rinnovabile per abitazioni e aziende.

Tuttavia a causa dei loro vantaggi come la resistenza ai cambiamenti di temperatura, la stabilità, il basso costo e la disponibilità di composti contenenti sodio e un lungo ciclo di vita le batteria al sodio si riveleranno preziose per le loro applicazioni

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