Il rilancio delle batterie agli ioni di sodio a temperatura ambiente
A causa delle abbondanti riserve di sodio (Na) nella crosta terrestre e delle proprietà fisico-chimiche simili del sodio e del litio, lo stoccaggio di energia elettrochimica a base di sodio rappresenta una promessa significativa per lo stoccaggio di energia su larga scala e lo sviluppo della rete. Ad esempio, le celle per attività di ricerca sulle batterie ad alta temperatura e a zero emissioni basate su sistemi Na/NiCl2 e le celle Na–S ad alta temperatura, che sono casi commerciali di successo di applicazioni fisse e mobili, hanno già dimostrato il potenziale delle batterie ricaricabili a base di sodio. Tuttavia, la loro elevata temperatura operativa, pari a circa 300 °C, causa problemi di sicurezza e diminuisce l’efficienza di andata e ritorno delle batterie agli ioni di sodio (SIB). I SIB a temperatura ambiente (RT) sono quindi ampiamente considerati come la tecnologia alternativa più promettente alle LIB.
Nel corso della storia delle batterie negli ultimi 200 anni, la ricerca sui SIB è stata condotta con fervore parallelamente allo sviluppo delle LIB. L’attività elettrochimica del TiS2 per il litio e la sua fattibilità per lo stoccaggio di energia furono proposte per la prima volta negli anni ’70. In seguito a questa scoperta, all'inizio degli anni '80 si realizzò la capacità degli ioni Na di essere inseriti nel TiS+2. Con la scoperta della grafite come materiale anodico a basso costo e di moderata capacità per i LIB e l'incapacità di intercalare gli ioni di sodio, negli anni '90 si è verificato un rapido sviluppo dei LIB, sostituendo la crescita della chimica del sodio. Poi, nel 2000, la disponibilità per lo stoccaggio del sodio nel carbonio duro (HC), che avrebbe fornito una capacità energetica simile a quella del litio nella grafite, ha ringiovanito l’interesse della ricerca sui SIB.
Un confronto tra la batteria agli ioni di sodio e la batteria agli ioni di litio
La rinascita dei SIB, unita alla pressione sempre crescente derivante dalla mancanza di disponibilità di riserve di litio e al corrispondente aumento dei costi, fornisce una strategia complementare ai LIB. I SIB hanno guadagnato una crescente attenzione da parte della ricerca, unita ai risultati fondamentali nella scienza dei materiali, nel tentativo di soddisfare la crescente penetrazione delle tecnologie di energia rinnovabile. I componenti cellulari e i meccanismi di reazione elettrochimica dei SIB sono sostanzialmente identici a quelli dei LIB, ad eccezione del portatore di carica, che è Na in uno e Li nell'altro. La ragione principale della rapida espansione nella chimica dei materiali SIB è attribuita ai paralleli nelle proprietà fisico-chimiche tra i due metalli alcalini.
Innanzitutto, i principi operativi e la costruzione delle celle dei SIB sono simili a quelli dei LIB commerciali, anche se il Na funge da portatore di carica. In un tipico SIB esistono quattro componenti principali: un materiale catodico (solitamente un composto contenente Na); un materiale anodico (non necessariamente contenente Na); un elettrolita (allo stato liquido o solido); e un separatore. Durante il processo di carica, gli ioni sodio vengono estratti dai catodi, che sono tipicamente ossidi metallici stratificati e composti polianionici, e vengono poi inseriti negli anodi, mentre la corrente viaggia attraverso un circuito esterno nella direzione opposta. Durante la scarica, il Na lascia gli anodi e ritorna nei catodi in un processo denominato “principio della sedia a dondolo”. Queste somiglianze hanno consentito la comprensione preliminare e la rapida crescita della tecnologia SIB.
Inoltre, il raggio ionico più ampio del Na porta i suoi vantaggi: maggiore flessibilità della positività elettrochimica e diminuzione dell’energia di desolvatazione nei solventi polari. Il maggiore divario nel raggio ionico tra il Li e gli ioni del metallo di transizione porta solitamente al fallimento della flessibilità della progettazione del materiale. Al contrario, un sistema a base di sodio consente strutture solide più flessibili rispetto a un sistema a base di litio e possiede un’enorme conduttività ionica. Un tipico esempio è β-Al2O3, per il quale l'intercalazione di Na ha le dimensioni perfette e un'elevata conduttività. Ossidi di metalli di transizione più stratificati con diverse modalità di impilamento M+x+ possono essere facilmente realizzati in un sistema a base di sodio. Allo stesso modo, l'ampia varietà di strutture cristalline note per la famiglia dei conduttori ionici di sodio (NaSICON) è molto più complicata di quella degli analoghi del litio. Ancora più importante, nei composti NaSICON può essere consentita una conduttività ionica molto più elevata, che supera di gran lunga la conduttività ionica nei composti conduttori ionici di litio (LiSICON).
Ultimo ma non meno importante, indagini sistematiche con diversi solventi polari aprotici hanno dimostrato che il raggio ionico più ampio del Na provoca un’energia di desolvatazione più debole. Il Li più piccolo ha una densità di carica superficiale attorno al nucleo maggiore rispetto al Na quando entrambi possiedono la stessa valenza. Il litio è quindi termodinamicamente stabilizzato condividendo più elettroni con le molecole del solvente polare. Cioè, il Li può essere classificato come un tipo di acido di Lewis. Di conseguenza, è necessaria un'energia di desolvatazione relativamente elevata per il Li altamente polarizzato, portando ad una resistenza di trasferimento relativamente grande indotta dal trasporto di Li dallo stato liquido (elettrolita) allo stato solido (elettrodo). Poiché l’energia di desolvatazione è strettamente correlata alla cinetica di trasferimento che avviene all’interfaccia liquido/solido, l’energia di desolvatazione relativamente bassa rappresenta un vantaggio significativo per la progettazione di SIB ad alta potenza.