Energia: ENEA studia batterie più sicure e affidabili

Batterie di nuova generazione sempre più sicure e affidabili grazie all’impiego di elettroliti più stabili e non infiammabili, in grado di garantire il corretto funzionamento dei sistemi di accumulo elettrochimico anche a temperature ad oggi impensabili per modelli commerciali. È questa la nuova frontiera della ricerca ENEA, delineata in uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Batteries, che per la prima volta sta sperimentando sulle batterie agli ioni di sodio nuove soluzioni elettrolitiche per superare uno dei maggiori limiti di questa tecnologia: la sicurezza.

Il principale punto critico è rappresentato dagli elettroliti, i componenti (in genere liquidi) che consentono il movimento degli ioni all’interno della batteria e ne rendono possibile il funzionamento. Gli elettroliti convenzionali delle batterie commerciali sodio-ione (e litio-ione) sono infiammabili, instabili alle alte temperature e soggetti a fenomeni di degradazione, con conseguenze negative sulle prestazioni, sulla durata e sull’affidabilità del dispositivo. In tali condizioni, eventi come il sovraccarico o il cortocircuito possono innescare processi che, nei casi più gravi, portano all’incendio o addirittura all’esplosione della batteria.

In questo contesto, la strategia sviluppata da ENEA per realizzare batterie più sicure e altamente performanti si basa sulle tecnologie elettrolitiche ibride. “Si tratta di un nuovo approccio concettuale che combina i vantaggi dei liquidi ionici con quelli dei solventi organici commerciali per ottenere un elettrolita in grado di rendere la batteria più sicura e stabile, migliorandone al contempo le prestazioni. I primi test di laboratorio hanno finora mostrato risultati promettenti: abbiamo verificato che la nostra miscela elettrolitica consente di ampliare l’operatività delle batterie al sodio a temperature inferiori a -20 °C”, spiega Giovanni Battista Appetecchi del Laboratorio  Tecnologie e dispositivi per l’accumulo elettrochimico (ACEL) del Dipartimento Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili ENEA (TERIN).

“ENEA ha un’esperienza nel settore dei liquidi ionici riconosciuta a livello internazionale e consolidata da oltre 25 anni di attività di ricerca”, spiega Antonio Rinaldi, responsabile del Laboratorio ACEL. “Questa competenza ha consentito di sviluppare e brevettare una procedura di sintesi scalabile, a basso costo e a ridotto impatto ambientale, che utilizza l’acqua come unico solvente di processo e permette di ottenere liquidi ionici caratterizzati da elevata purezza e prestazioni. Ad oggi ne abbiamo sintetizzati oltre cento”.

I liquidi ionici (sali fusi a temperatura ambiente o a temperature inferiori) rappresentano materiali di grande interesse nel campo delle batterie e dell’elettrochimica: non evaporano, non sono infiammabili e possiedono un buon potere solvente, oltre a una buona conducibilità ionica e a un’elevata stabilità termo-chimico-elettrochimica. Inoltre, hanno dimostrato un’ottima resistenza anche a temperature superiori a 70 °C, condizioni oggi difficilmente raggiungibili dalle batterie commerciali, mantenendo stabilità chimica e risultando quindi adatti a scenari operativi estremi. “Per questi motivi vengono considerati più sicuri rispetto ai comuni elettroliti organici utilizzati nelle batterie convenzionali, come quelle agli ioni di litio”, sottolinea Giovanni Battista Appetecchi.

Tuttavia, i liquidi ionici presentano anche alcuni limiti. Il principale è l’elevata viscosità, che li rende più ‘densi’ e meno fluidi. Di conseguenza, gli ioni si muovono più lentamente al loro interno, con una riduzione della conducibilità e quindi dell’efficienza del trasporto di carica nella batteria. “Questi materiali offrono grandi vantaggi in termini di sicurezza e stabilità, ma devono essere ottimizzati per superare il limite della minore mobilità ionica. “Ed è proprio ciò che perseguiamo nei nostri laboratori, prima sulle batterie al litio, ed ora su quelle al sodio che rappresentano una delle nuove frontiere dell’accumulo elettrochimico”, spiega Antonio Rinaldi.

Guardando al futuro, i sistemi di batterie agli ioni di sodio rappresentano una promettente alternativa alle batterie agli ioni di litio, attualmente la tecnologia di riferimento nei settori dell’automotive, in applicazioni quali i sistemi di accumulo stazionario per energia da fonti rinnovabili (domestici e utility scale denominati BESS), la stabilizzazione della rete elettrica, le smart grid e perfino alcune applicazioni di piccola scala, come dispositivi elettronici e utensili portatili. Questa tecnologia si distingue per la maggiore abbondanza del sodio rispetto al litio (oltre 1.000 volte), per il potenziale costo inferiore e per la minore dipendenza da materie prime critiche come litio, rame, cobalto e nichel, che oltre a essere costose non sono distribuite in modo uniforme a livello globale, determinando una significativa dipendenza geopolitica da paesi terzi. Inoltre, queste batterie presentano comportamenti elettrochimici relativamente simili a quelli delle batterie al litio^[1], con potenziali di reazione comparabili, rendendo possibile lo sviluppo di dispositivi con prestazioni elettriche vicine a quelle delle tecnologie al litio. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di utilizzare collettori di corrente in alluminio, più leggeri ed economici, riducendo la dipendenza dal rame impiegato nelle batterie agli ioni di litio.

“Elettroliti a parte, le nostre attività coprono una parte rilevante della filiera di sviluppo delle batterie del futuro e vanno dalla sintesi dei materiali elettrodici alla realizzazione dei componenti di cella, fino al manufacturing e al testing prolungato di prototipi di batteria da 1 Ah. “Nei prossimi mesi, grazie alle nuove infrastrutture rese disponibili dal progetto IPCEI EuBatIn, il laboratorio ACEL sarà in grado di realizzare anche prototipi da 10-30 Ah, una taglia vicina ad applicazioni commerciali, ampliando così ulteriormente le capacità di sviluppo e validazione tecnologica in ENEA”, conclude Antonio Rinaldi.