Nuovi elettroliti ibridi sviluppati nei laboratori ENEA puntano a migliorare sicurezza, stabilità e prestazioni delle batterie agli ioni di sodio
La ricerca sulle batterie di nuova generazione guarda sempre più alla sicurezza, alla durata e alla capacità di funzionare in condizioni estreme. È in questa direzione che si inserisce il nuovo lavoro di ENEA, che sta sperimentando soluzioni elettrolitiche innovative per le batterie agli ioni di sodio.
Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Batteries, prende di mira uno dei punti più delicati della tecnologia: l’elettrolita, cioè il materiale che permette agli ioni di muoversi all’interno della batteria e rende possibile il suo funzionamento.
L’obiettivo è sviluppare batterie più stabili e sicure, capaci di mantenere prestazioni affidabili anche quando vengono sottoposte a temperature particolarmente basse o elevate.
Il problema degli elettroliti tradizionali
Nelle batterie commerciali agli ioni di sodio e agli ioni di litio vengono normalmente utilizzati elettroliti liquidi organici. Questi materiali consentono il trasporto degli ioni, ma presentano anche alcune criticità.
Sono infatti infiammabili e sensibili alle alte temperature e possono degradarsi nel tempo. Questi fenomeni possono incidere sulla durata, sulle prestazioni e sull’affidabilità della batteria.
In situazioni anomale, come un sovraccarico o un cortocircuito, le condizioni possono diventare ancora più critiche, fino ad arrivare, nei casi più gravi, all’incendio o all’esplosione della batteria.
La soluzione: un elettrolita ibrido
La strategia sviluppata nei laboratori ENEA punta sui cosiddetti elettroliti ibridi, progettati combinando le caratteristiche dei liquidi ionici con quelle dei solventi organici già utilizzati nelle batterie commerciali.
L’obiettivo è trovare un equilibrio tra due esigenze: aumentare la sicurezza e la stabilità della batteria senza penalizzarne le prestazioni.
I primi test di laboratorio, secondo quanto riferito da ENEA, hanno prodotto risultati promettenti.
«La nostra miscela elettrolitica consente di ampliare l’operatività delle batterie al sodio a temperature inferiori a -20 °C», ha spiegato Giovanni Battista Appetecchi del Laboratorio Tecnologie e dispositivi per l’accumulo elettrochimico (ACEL) del Dipartimento Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili di ENEA.
Il risultato è particolarmente interessante perché la temperatura rappresenta uno dei fattori che possono condizionare il funzionamento e l’affidabilità dei sistemi di accumulo.
Cosa sono i liquidi ionici e perché interessano alle batterie
Al centro della ricerca ci sono i liquidi ionici, particolari sali che possono presentarsi allo stato liquido a temperatura ambiente o a temperature inferiori.
Il loro interesse per l’elettrochimica deriva da alcune caratteristiche specifiche: non evaporano, non sono infiammabili e presentano una buona capacità di trasportare gli ioni. Inoltre, mostrano una significativa stabilità dal punto di vista termico, chimico ed elettrochimico.
Secondo ENEA, questi materiali hanno mantenuto una buona stabilità anche a temperature superiori ai 70 °C, condizioni difficili da raggiungere per le batterie commerciali convenzionali.
La maggiore stabilità può quindi contribuire a rendere i sistemi di accumulo più adatti anche a condizioni operative particolarmente impegnative.
Credit: Enea – Prototipi di batteria litio-ione e litio-metallico e foto di liquidi ionici per batterie ad elevata sicurezza/affidabilità
Il limite da superare: la viscosità
Il principale limite dei liquidi ionici è infatti la loro elevata viscosità. In termini semplici, sono materiali più “densi” e meno fluidi rispetto ai solventi tradizionali.
Questo può rallentare il movimento degli ioni e ridurre la conducibilità, con possibili conseguenze sull’efficienza del trasporto di carica all’interno della batteria.
È proprio su questo aspetto che si concentra una parte importante del lavoro di ENEA.
«Questi materiali offrono grandi vantaggi in termini di sicurezza e stabilità, ma devono essere ottimizzati per superare il limite della minore mobilità ionica», ha spiegato Antonio Rinaldi, responsabile del Laboratorio ACEL.
La ricerca, aggiunge Rinaldi, è partita dalle batterie al litio e si sta ora concentrando anche sulle batterie al sodio, considerate una delle nuove frontiere dell’accumulo elettrochimico.
Perché le batterie al sodio sono considerate una possibile alternativa al litio
Il sodio presenta una caratteristica importante: è molto più abbondante del litio. Secondo i dati riportati da ENEA, la sua disponibilità è oltre mille volte superiore.
Questa abbondanza potrebbe contribuire, in prospettiva, a ridurre la pressione sulle materie prime necessarie alla produzione delle batterie.
Le batterie al sodio possono inoltre ridurre la dipendenza da materiali come litio, rame, cobalto e nichel, alcune delle quali sono considerate materie prime critiche e presentano una distribuzione geografica non uniforme.
Il tema non riguarda soltanto i costi industriali. La concentrazione delle risorse in determinate aree del mondo può infatti avere conseguenze anche sulla sicurezza degli approvvigionamenti e sulla dipendenza da Paesi terzi.
Sul piano tecnologico, le batterie agli ioni di sodio presentano comportamenti elettrochimici relativamente simili a quelli delle batterie agli ioni di litio. Questo rende possibile lo sviluppo di dispositivi con caratteristiche elettriche potenzialmente vicine a quelle delle tecnologie attualmente più diffuse.
Un altro elemento riguarda i collettori di corrente: nelle batterie al sodio può essere utilizzato l’alluminio, materiale più leggero ed economico del rame impiegato nelle batterie agli ioni di litio.
Dalle celle di laboratorio ai prototipi più grandi
La ricerca ENEA non si limita agli elettroliti. Le attività del laboratorio ACEL comprendono infatti diverse fasi della filiera di sviluppo delle batterie: dalla sintesi dei materiali elettrodici alla realizzazione dei componenti della cella, fino al manufacturing e ai test prolungati sui prototipi.
Attualmente il laboratorio lavora anche su prototipi di batteria da 1 Ah.
Credit: Enea – Magnificazione di un prototipo di batteria litio-ione da 1 Ah
Nei prossimi mesi, grazie alle nuove infrastrutture messe a disposizione dal progetto IPCEI EuBatIn, ENEA prevede di poter realizzare prototipi da 10-30 Ah, una capacità più vicina a quella richiesta da applicazioni commerciali.
L’obiettivo sarà quindi aumentare le capacità di sviluppo e validazione delle tecnologie, portando la ricerca verso batterie di dimensioni e caratteristiche più vicine alle esigenze del mercato.
