Singapore allunga la vita delle batterie al sodio allo stato solido, ma l’auto elettrica deve aspettare

La soluzione affronta due vecchi limiti delle batterie al sodio

Il sodio non è una novità nella chimica delle batterie, ma le versioni con elettrolita solido si sono sempre scontrate con due problemi ricorrenti. Gli ioni sodio si muovono troppo lentamente attraverso il polimero, mentre l’anodo in sodio metallico può sviluppare dendriti durante la ricarica. Queste strutture aghiformi possono perforare la cella e provocare un cortocircuito.

Un team del College of Design and Engineering della National University of Singapore ha pubblicato lo studio su Advanced Functional Materials. I ricercatori hanno aggiunto nitruro di carbonio grafitico, o GCN, a un elettrolita basato su ossido di polietilene e su un sale di sodio. Il materiale si ottiene riscaldando l’urea in aria fino a 550 °C e formando fogli spessi circa 2 nm.

Dentro l’elettrolita, il GCN svolge due funzioni utili insieme. Per prima cosa rompe le regioni cristalline rigide del polimero e crea più zone amorfe, dove gli ioni sodio possono muoversi con maggiore libertà. Inoltre, i siti superficiali ricchi di azoto aiutano a separare gli ioni sodio dai controioni del sale, facendo salire il numero di trasporto degli ioni sodio da 0,19 a 0,51. A 55 °C, la conducibilità ionica è più che raddoppiata.

Il punto cruciale è rallentare i dendriti

Un anodo in sodio metallico offre una densità energetica teorica elevata, ma durante la ricarica il metallo si deposita in modo irregolare. È lì che iniziano a crescere i dendriti, minacciando la cella dall’interno.

L’elettrolita composito con GCN si è dimostrato tre volte più resistente del polimero originale. Ancora più importante, ha favorito la formazione di uno strato protettivo inorganico a base di sodio sulla superficie dell’anodo, guidando una deposizione più uniforme del metallo. In una prova comparativa, l’elettrolita polimerico non modificato è andato in cortocircuito dopo 250 ore a una densità di corrente di 0,1 mA per cm². L’elettrolita con GCN ha funzionato per 1000 ore allo stesso carico e per oltre 2000 ore a 0,2 mA per cm².

Alla stessa densità di corrente, il test indica un miglioramento della durata della batteria di circa quattro volte. Con un carico più severo, ha superato le 2000 ore. È un dato importante, perché la resistenza ai dendriti dice più sulla sicurezza pratica di una batteria solida con anodo metallico di qualunque singolo dato di potenza da titolo.

La cella completa mostra una buona vita ciclica

I ricercatori hanno costruito anche una cella completa con elettrolita solido, usando un catodo in fosfato di vanadio sodico drogato con zinco e rivestito di carbonio, insieme a un anodo in sodio metallico. A un regime di carica e scarica di 0,5C, la cella ha conservato il 95% della capacità dopo 500 cicli, mentre l’efficienza coulombica ha raggiunto circa il 99,97%. In termini semplici, 1C significa caricare una batteria in circa un’ora, mentre 2C equivale a circa mezz’ora.

Per dimostrare la sicurezza meccanica, il team ha realizzato anche una cella pouch a strato singolo capace di alimentare un LED mentre veniva piegata, riaperta e tagliata. Questo non dimostra che sia pronta per un pacco batteria da auto elettrica, ma spiega perché gli elettroliti solidi offrano un vantaggio di sicurezza rispetto alle celle con elettrolita liquido.

Non è ancora una rivale di CATL per le auto elettriche

Per l’industria dell’auto, questo risultato va valutato rispetto a ciò che si sta già muovendo verso la produzione, non rispetto a un ideale da laboratorio. La batteria agli ioni di sodio Naxtra di CATL si avvia alla produzione in serie con Changan, e CATL indica per la cella una densità energetica fino a 175 Wh per kg. In un’architettura cell-to-pack, questo potrebbe consentire oltre 400 km di autonomia, con un obiettivo futuro di 500-600 km. Non si tratta però di una batteria al sodio metallico con elettrolita solido.

Il lavoro di Singapore segue un’altra logica. Il suo punto di forza non è l’autonomia massima, almeno non ancora. Sono la sicurezza, le materie prime meno costose e la possibilità di ridurre la dipendenza dal litio. Il limite principale resta la temperatura di esercizio. Il risultato migliore è arrivato a 55 °C, mentre il prossimo obiettivo è il funzionamento stabile a 45 °C. Una batteria per auto elettrica europea deve lavorare in una finestra climatica molto più ampia, non solo in un laboratorio caldo.

In Europa l’impatto potrebbe arrivare prima nello storage che nei veicoli elettrici ad alte prestazioni

L’Europa ha bisogno di batterie economiche, sicure e meno esposte al rischio sulle materie prime soprattutto nell’accumulo di rete e nei parchi solari. In queste applicazioni, l’energia per chilogrammo conta meno di prezzo, sicurezza antincendio, vita ciclica e costi di manutenzione. È la nicchia in cui una batteria al sodio con elettrolita solido potrebbe iniziare a mettere pressione alle LFP.

Nelle auto elettriche, la chimica al sodio probabilmente arriverà prima sulle city car economiche, sui veicoli commerciali e sui modelli per climi più freddi, dove prezzo e tolleranza alla temperatura possono pesare più della minore densità energetica. I veicoli elettrici premium e i modelli a lunga autonomia resteranno ancora per qualche anno terreno delle chimiche al litio ad alta energia.

Quadro tecnico

Elettrolita: un elettrolita polimerico solido basato su ossido di polietilene e sale di sodio, con aggiunta di fogli di GCN da 2 nm.

Trasporto ionico: la conducibilità ionica è più che raddoppiata a 55 °C, mentre il numero di trasporto degli ioni sodio è salito da 0,19 a 0,51.

Resistenza ai dendriti: l’elettrolita composito ha funzionato per 1000 ore a 0,1 mA per cm² e per oltre 2000 ore a 0,2 mA per cm².

Cella completa: mantenimento del 95% della capacità dopo 500 cicli a 0,5C, con efficienza coulombica di circa 99,97%.

Limite principale: la tecnologia deve ancora ridurre le temperature operative e passare a prototipi di formato più grande.

La svolta è reale, ma lo è anche la distanza tra una cella da laboratorio ben riuscita e un pacco batteria capace di sopravvivere per anni a ricariche, gelo, caldo e guidatori impazienti.