Le batterie in uso nei dispositivi di tutti i giorni fanno uso di litio e cobalto, materiali costosi e tossici legati nel processo di estrazione anche a problemi di rispetto dei diritti umani. Rendere usabili le batterie sodio-zolfo apporterebbe grandi benefici sul piano economico e ambientale.
Le batterie al sodio-zolfo potrebbero in futuro sostituire quelle basate su elementi come il litio e il cobalto oggi onnipresenti e che hanno contribuito a cambiare il modo in cui ci rapportiamo con la tecnologia con evidenti le ricadute anche a livello sociale: si pensi solo a quanto siano determinanti a livello di comunicazione dispositivi portatili come gli smartphone, ma il discorso può essere esteso in ambiti in rapido sviluppo quali la mobilità elettrica, dalle auto alle biciclette a pedalata assistita.
Il litio e il cobalto portano tuttavia con sé anche problemi che spaziano dalle questioni ambientali al rispetto dei diritti umani, a causa della rarità di tali elementi e della necessità di estrarli e raffinarli con conseguenze sulla salute e le condizioni lavorative. Più di metà delle scorte mondiali di litio si trova per esempio in Cile mentre le cronache riportano i seri problemi ambientali e umani derivanti dalle miniere di cobalto in Congo.
Le batterie sodio-zolfo a temperatura ambiente: un primo passo fondamentale
Le batterie al sodio-zolfo spiccano fra le possibili alternative su cui si sono concentrate le ricerche negli ultimi anni. Si tratta di due elementi chimici facilmente reperibili, molto meno dannosi per l’ambiente e assai più economici. Ma sussistono problemi da superare.
I ricercatori dell’Università del Texas a Austin stanno portando avanti sviluppi di notevole interesse in questa tecnologia: è il caso dell’affinamento dell’elettrolita, la sostanza (di solito liquida ma può essere anche solida a seconda della struttura del dispositivo) frapposta fra anodo e catodo al fine di permettere il flusso di elettroni, la generazione di una corrente elettrica.
Uno degli inconvenienti nelle batterie al sodio-zolfo è conseguenza del tentativo di risolvere un altro problema, ovvero portare questo tipo di batteria a essere operativa a temperatura ambiente anziché ai 300-350° dove presenta invece tanti vantaggi (a parità di volume può immagazzinare cinque volte più energia di un accumulatore al piombo).
Le ricerche hanno in effetti condotto negli ultimi anni a conseguire questo risultato, ma con la conseguenza della nuova difficoltà costituita dal crearsi dei dendriti (piccole strutture cristalline) sull’anodo, che possono condurre a un rapido degrado delle funzionalità della batteria stessa ma anche corti circuiti, a farle prendere fuoco o esplodere.
Il problema è causato dal dissolvimento dello zolfo all’interno dell’elettrolita, un fenomeno chiamato shuttling che causa perdita di materiale, degradazione dei componenti e, appunto, la formazione di questi microscopici aghi, I dendriti. La sfida consiste nel trovare una sostanza che funga da elettrolita evitando di degradare lo zolfo.
Il nuovo elettrolita porta la necessaria stabilità al dispositivo
Come spiega Amruth Bhargav del Manthiram Laboratory presso l’Università del Texas, ciò di cui abbiamo bisogno è qualcosa di simile (per analogia) allo sciroppo che si forma mettendo molto zucchero nell’acqua: uno stato in cui non tutto si scioglie nel liquido ma una via di mezzo fra legami stabili e dissolvimento.
I ricercatori sono allo stesso modo riusciti a diluire un concentrato salino in un solvente aprotico inerte in grado di preservarne lo stato di quasi-solido come in un denso sciroppo. Questo tipo di elettrolita si rivela in grado di prevenire le reazioni indesiderate sopra descritte, allungando la vita della batteria.
Nei test di laboratorio, la batteria sodio-zolfo col nuovo elettrolita ha mostrato minimi (0.10%) segni di degradazione o cali nelle performance dopo 300 cicli di carica e scarica. Il passo successivo consiste nella realizzazione di batterie di maggiori capacità e dimensioni per verificarne l’adeguatezza e il livello di funzionalità in applicazioni come i veicoli elettrici oppure lo stoccaggio di energia prodotta da fonti rinnovabili.
Fonte: “Stable Dendrite-Free Sodium–Sulfur Batteries Enabled by a Localized High-Concentration Electrolyte“, Journal of the American Chemical Society (2021)
