Le batterie a base di sodio non sono una novità nel mercato dell’accumulo di energia, ma l’interesse per questa tecnologia ha iniziato a crescere all’inizio degli anni 2020 mentre il settore cercava alternative al litio. In quel periodo i prezzi del litio sono aumentati bruscamente e, con la maggior parte della raffinazione globale concentrata in Cina, governi e produttori di tutto il mondo hanno avuto un forte incentivo a diversificare le chimiche delle batterie. Il sodio è il sesto elemento più abbondante sulla Terra e le batterie agli ioni di sodio funzionano e possono essere prodotte in modo simile ai tradizionali design al litio, rendendone l’adozione più semplice rispetto ad altre tecnologie avanzate come le batterie a flusso. Tuttavia, così come esistono diverse chimiche al litio, esistono anche diversi tipi di batterie al sodio, più adatti a specifici casi d’uso.

Che cos’è una batteria al sodio?

Le batterie a base di sodio sfruttano l’abbondanza del sodio per generare energia non tossica. Non sono infiammabili né esplosive—purché nella chimica non vengano introdotti altri materiali reattivi—e possono operare in un ampio intervallo di temperature. Le celle delle batterie al sodio possono inoltre essere scaricate completamente fino a zero senza subire danni.

Durante la carica, gli ioni di sodio si spostano dal catodo all’anodo; durante la scarica, tornano dall’anodo al catodo. Il processo produttivo ricalca da vicino quello delle batterie al litio: il catodo e l’anodo vengono rivestiti con una sospensione, la sacca della cella viene riempita di elettrolita e quindi il modulo viene sigillato. I produttori di celle al sodio stanno adottando form factor simili a quelli delle celle al litio per facilitarne l’adozione.

Una distinzione chiave riguarda il design del collettore di corrente. Le batterie al sodio utilizzano in genere solo alluminio, mentre quelle al litio impiegano sia alluminio sia rame. L’uso esclusivo dell’alluminio, in teoria, conferisce alle batterie al sodio un vantaggio in termini di costo. Inoltre, poiché le batterie al sodio operano in un ampio intervallo di temperature e presentano un rischio d’incendio minimo, non richiedono i sistemi di riscaldamento, raffreddamento e soppressione incendi presenti nei sistemi di accumulo a batterie al litio (BESS). Questo consente ai sistemi di accumulo su larga scala al sodio di avere un ingombro fisico significativamente inferiore rispetto alle controparti al litio. Per l’accumulo stazionario su scala di rete, dove peso e volume sono meno vincolanti rispetto ai veicoli elettrici, la minore densità energetica del sodio rispetto al litio è un limite meno rilevante.

Quali sono i diversi tipi di batterie al sodio?

Esistono diverse varianti di batterie al sodio, ma le tre più comuni sono NFM, NCO e NFPP.

Sodium Nickel Iron Manganese (NFM) è più spesso confrontata con il litio cobalto ossido (LCO) e si trova in applicazioni di micromobilità leggera, come scooter ed e-bike. Come le batterie LCO usate nell’elettronica portatile come i telefoni, anche le batterie NFM possono comportare rischi per la sicurezza e prendere fuoco. Non sono considerate adatte ad applicazioni su larga scala.

Sodium Chromium Oxide (NCO) è spesso confrontata con il litio nichel manganese cobalto (NMC). NCO offre un’elevata densità energetica ma una durata di ciclo non particolarmente lunga. Queste batterie a ossido metallico stratificato possono entrare in runaway termico e generare ossigeno mentre bruciano, anche se la probabilità è molto inferiore rispetto a quanto osservato nelle batterie al litio.

Sodium Iron-Phosphate Pyrophosphate (NFPP) è in genere confrontata con il litio ferro fosfato (LFP). Le batterie NFPP offrono una migliore durata di ciclo e migliori tolleranze termiche, con un rischio di incendio quasi nullo. Il produttore statunitense Alsym incorpora un elettrolita non infiammabile nel proprio design NFPP+ per ridurre ulteriormente il rischio di incendio. Rispetto alle LFP, i design NFPP hanno una densità energetica inferiore ma richiedono meno infrastrutture HVAC e meno componenti aggiuntivi per i BESS.

Dove vengono prodotte e installate le batterie al sodio?

Come per quasi ogni prodotto per batterie, la Cina domina attualmente la produzione. La produzione di batterie al sodio può essere inserita con relativa facilità in una linea LFP esistente e molti marchi cinesi affermati del settore litio hanno già riconvertito linee inattive o in eccesso nei loro stabilimenti per produrre design al sodio.

Negli Stati Uniti sono in corso alcuni progetti di ricerca e sviluppo sugli ioni di sodio. L’abbondanza della chimica di base e l’assenza di materiali critici significa che gli Stati Uniti potrebbero rapidamente riportare in patria la produzione di sistemi di accumulo agli ioni di sodio. Gli incentivi federali dell’Inflation Reduction Act del 2022, che includono crediti d’imposta per celle prodotte internamente e per l’approvvigionamento di minerali critici, hanno inoltre incoraggiato gli investimenti in chimiche non basate sul litio che riducono la dipendenza dai materiali importati.

La società Alsym, con sede a Boston, sta sviluppando design di celle NFPP e il grande sviluppatore di sistemi di accumulo ESS ha recentemente annunciato che utilizzerà la tecnologia Alsym nel suo prossimo lancio di batterie agli ioni di sodio.

"Our first launch is going to be with NFPP because that's a good technology. It follows the same characteristics that ESS has followed since its birth — no risk of fires and it's safe," said Randy Selesky, ESS chief commercial officer.

La società spin-off dell’UC San Diego Unigrid sta sviluppando celle NCO e ha annunciato una partnership con il produttore Syntropic Power per realizzare batterie agli ioni di sodio negli Stati Uniti. Le due aziende stanno puntando al mercato residenziale perché è pronto per alternative al litio, ha detto Darren Tan, cofondatore e CEO di Unigrid.

"We already have water storage at home, we have food storage. I think it's very conceivable in the next two decades that everyone may have energy storage at home, as long as the energy storage is as affordable, as safe and as reliable as a refrigerator," Tan said. "This is an opportunity for sodium-ion."

Peak Energy plans to open nel 2027 un impianto a Sacramento con una capacità produttiva annua di 4 GWh, destinato a produrre sistemi NFPP da 3.1 MWh. Al momento l’azienda utilizza celle importate, ma i dirigenti stanno già rafforzando la filiera di altri componenti, ha detto Brandon Kelly, chief scientist di Peak.

"You can make hard carbon, which is the anode, from almost anything. Right now, we use coconuts. We're going to do some peach pits and other random stuff. It makes for funny supply chain conversations," said Kelly. "But you can make it out of coal, you can make it out of petroleum byproducts, which are things we're good at here in the States. Even though it's not something that is scaled today, it's something that will be quite easy for us to do [in the United States] relative to lithium."

Le aziende statunitensi non costruirebbero infrastrutture manifatturiere se non ci fosse domanda per la nuova tecnologia di batterie. Sebbene oggi la capacità installata sia ancora contenuta, ogni rappresentante aziendale ha detto a Solar Power World che il settore è all’inizio di una crescita importante.

"Last year, there was over 3 GWh of sodium produced," Kelly said. "There's a lot of people that feel it's more of a lab technology, but the reality is it's commercial-quality cells that already hit on their performance in that large format that you can get at the gigawatt-hour scale. It's ready for prime time."