L'attrazione di Na

Gli ioni di sodio sono un altro strumento nel kit dei chimici per affrontare la crisi climatica

BOSTON, 31 maggio 2023 /PRNewswire/ -- Gli ioni di sodio sono probabilmente la chimica più importante per le batterie agli ioni di metallo al di fuori di quelle agli ioni di litio, e funzionano tramite la stessa "sedia a dondolo" (dove gli ioni alcalini si spostano da un elemento non metallico anodo a catodo durante la scarica e viceversa durante la carica) principio dell'intercalazione cationica reversibile, su un elettrodo positivo e uno negativo. I materiali possono anche essere simili agli ioni di litio, con ossidi metallici spesso utilizzati come catodo e materiali a base di carbonio come anodo. Tuttavia, il carbonio non può essere sotto forma di grafite poiché la dimensione del Na+ è troppo grande per l'intercalazione e, in realtà, la scelta dei materiali può differire in modo significativo rispetto alla chimica degli ioni di litio.

Approccio al catodo diversificato

Le tre famiglie principali di materiali catodici sono gli ossidi metallici stratificati, i composti polianionici e gli analoghi del blu di Prussia (PBA). Gli ossidi stratificati di metalli di transizione hanno strutture stratificate bidimensionali che consentono l'inserimento reversibile del sodio. Il grande vantaggio di questi composti risiede nel loro basso peso molecolare, che si traduce in un'elevata capacità specifica teorica. Tuttavia, oltre ad avere un potenziale redox moderato, subiscono molteplici transizioni di fase durante la deinserzione/inserimento degli ioni sodio, con conseguente instabilità strutturale durante carica/scarica, soprattutto ad alte tensioni, con conseguente bassa ciclabilità.

Grazie alla loro elevata stabilità e alla rapida mobilità ionica all'interno della loro struttura strutturale, i materiali polianionici sono intensamente studiati come promettenti materiali catodici per batterie agli ioni di Na. Sebbene questi materiali abbiano generalmente una capacità inferiore rispetto agli ossidi stratificati (tipicamente a causa del loro peso molecolare più elevato) e una bassa conduttività elettronica, sono considerati molto attraenti a causa della loro maggiore tensione e stabilità strutturale.

La terza famiglia di interesse è quella degli analoghi del blu di Prussia (PBA). Hanno una struttura 3D con grandi canali attraverso i quali gli ioni sodio possono diffondersi rapidamente. Inoltre, sono formati da elementi abbondanti, economici e non tossici. Il vantaggio aggiuntivo dei PBA è la semplicità della sintesi: il loro principale svantaggio è la loro bassa densità, che porta ad una bassa densità di energia volumetrica rispetto agli ossidi stratificati.

Come le batterie agli ioni di litio, ogni famiglia di materiali catodici presenta vantaggi e svantaggi (ad esempio in termini di prestazioni elettrochimiche, sostenibilità, costi, ecc.). Considerando questo scenario, non esiste un’unica chimica vincente. È più probabile che diversi catodi di Na coesistano per soddisfare gli ampi requisiti derivanti dall'ampio mercato per diverse applicazioni. Il rapporto IDTechEx, "Batterie agli ioni di sodio 2023-2033: tecnologia, attori, mercati e previsioni", copre gli sviluppi industriali nel mercato delle batterie agli ioni di sodio e fornisce analisi dei brevetti sulle sostanze chimiche dei principali attori.

Le batterie agli ioni di litio sono davvero sostenibili?

Una delle proposte di valore chiave della batteria agli ioni di Na è l’utilizzo di materiali sostenibili. Il sodio è ampiamente disponibile e materiali problematici come il cobalto possono essere evitati.

Sebbene i materiali catodici abbiano meno probabilità di utilizzare il cobalto, possono comunque utilizzare materiali relativamente costosi come il vanadio. Rispetto agli ioni di litio, gli ioni di Na possono essere commercializzati come più sostenibili grazie all’uso del sodio rispetto al litio – questa sarebbe una semplificazione eccessiva, dato che il litio costituisce solo una piccola percentuale di una cella agli ioni di litio. Le celle agli ioni di Na possono utilizzare materiali a basso costo nei loro elettrodi, ma questo può valere anche per gli ioni di litio con LFP o catodi a base di manganese. La possibilità di utilizzare l'alluminio sia come collettore di corrente negativa che positiva ha il potenziale per fornire risparmi sui costi. Anche la scelta dei materiali degli elettrodi è fondamentale in questo senso, poiché è possibile utilizzare sia materiali costosi che economici.

Esiste un’opportunità derivante da una potenziale carenza di fornitura di litio a medio termine, data la mancanza degli investimenti necessari nell’estrazione delle materie prime. Sebbene vi siano risorse di litio sufficienti per soddisfare la domanda prevista di ioni di litio prima di tenere conto del riciclaggio, la capacità di estrarre questo litio non è cresciuta al ritmo necessario, offrendo un'opportunità per sostanze chimiche alternative (ad esempio, ioni di sodio) nel mezzo e lungo termine. Il rapporto IDTechEx sulle batterie agli ioni di Na prevede la crescita della domanda di batterie agli ioni di Na in applicazioni come lo stoccaggio stazionario di energia e i Micro EV.