La prima batteria al sodio a stato solido “anode-free” potrebbe aiutarci verso la mobilità sostenibile

Parlando di transizione energetica, tra le maggiori criticità della mobilità elettrica troviamo la a volte scarsa autonomia dovuta alle limitate prestazioni delle batterie e il loro notevole impatto ecologico, non solo in fase di smaltimento ma anche in fase di produzione.

Un articolo pubblicato su Nature Energy da Grayson Deysher del Laboratory for Energy Storage and Conversion (LESC) della University of Chicago, guidato dalla Prof.ssa Y. Shirley Meng, affronta proprio questi due problemi e propone una soluzione estremamente promettente: la prima batteria al sodio a stato solido “anode-free” (senza anodo). Sebbene esistano già sia le batterie al sodio che quelle a stato solido, così come quelle senza anodo, questa è la prima volta che si riesce a combinare insieme queste tre caratteristiche, prospettando batterie che offrano prestazioni migliori, maggiore longevità e minore impatto ambientale.

Partiamo dall’inizio per capire la portata di questo lavoro.

Il problema del litio

Sebbene le pile al litio siano oggi onnipresenti, e la loro invenzione abbia fatto guadagnare un meritatissimo Premio Nobel per la chimica a Goodenough, Whittingham e Yoshino nel 2019, hanno purtroppo un impatto ambientale significativo. Il litio, infatti, è un elemento relativamente raro (20 parti per milione nella crosta terrestre), che può essere estratto solo da poche miniere, localizzate principalmente in Cile, Argentina e Bolivia (che ne garantiscono il 75% del fabbisogno mondiale), a cui si aggiunge qualche altra miniera in Australia e Stati Uniti. Al contrario, il sodio è un elemento comunissimo e onnipresente, il cui approvvigionamento comporterebbe molti meno rischi e problematiche. La sostituzione del litio con il sodio, a parità di efficienza, sarebbe già quindi un grande passo in avanti e molti gruppi di ricerca ci stanno lavorando.

Una pila senza anodo

Le batterie funzionano grazie alla presenza di due elettrodi, un catodo e un anodo, che quando collegati tra di loro con un circuito permettono il passaggio di corrente elettrica. Possiamo immaginare l’anodo come una diga che raccoglie un enorme bacino di elettroni, una diga che si apre quando la batteria viene connessa a un circuito (come quello di un cellulare, di un motore o di una torcia) lasciando fluire gli elettroni verso il catodo. I metalli alcalini (come sodio e litio) sono anodi eccellenti perché hanno una tendenza elevatissima a perdere i propri elettroni. Rimossi però gli elettroni, che fine fanno gli ioni formatisi? Catodo e anodo sono separati da un elettrolita, ovvero una sostanza che permette lo spostamento degli ioni all’interno della batteria.

L’anodo però, sebbene sia un componente fondamentale in una batteria, ha lo svantaggio di occupare molto spazio e di renderla più complessa dal punto di vista costruttivo. Le batterie “anode-free” sono prodotto solamente con un catodo, mentre l’anodo si forma durante la ricarica grazie alla deposizione di uno strato del metallo direttamente su un collettore di corrente. Questo vuol comporta meno problemi di sicurezza, minore complessità costruttiva, ma soprattutto un guadagno in termini di efficienza, dato che il peso e lo spazio occupati dall’anodo posso essere invece utilizzati per immagazzinare energia.

Purtroppo, però questo sistema soffre di due pecche: essendo necessario un ottimo contatto tra il catodo il collettore di corrente, l’elettrolita è in genere un liquido. Ma un elettrolita liquido permette la formazione di dendriti (filamenti. figura C iii) che rischiano di cortocircuitare la batteria. Usare un elettrolita a stato solido è quindi una necessità, ma la maggior parte degli elettroliti a stato solido non sono adatti per lo scopo perché non sono ben in contatto con il correttore. L’innovazione proposta da Deysher e Mend consiste nell’utilizzo di finissima polvere di alluminio per creare il collettore di corrente, che viene sottoposto ad un’altissima pressione per formare un collettore solido mantenendo allo stesso tempo una superficie di contatto estremamente efficiente con l’elettrolita solido.

Sebbene questa tecnologia debba ancora maturare, si tratta di una strada molto promettente che potrebbe accelerare la transizione ecologica e la mobilità sostenibile. Sebbene le batterie al sodio ancora non possano competere in efficienza con quelle al litio, la speranza è che questo gap venga velocemente colmato in futuro grazie a questo tipo di ricerca.

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