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Il sodio e la sfida al litio nella transizione energetica

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Nel complesso mondo delle tecnologie verdi emergenti, dove la competizione per l’approvvigionamento delle materie prime si intreccia con i conflitti tra gli Stati, il sodio si sta imponendo come rivale del litio nell’industria delle batterie elettriche, che sono un elemento cardine della transizione energetica.

 

Sodio, dove e quando

Come il litio e gli altri metalli alcalini, il sodio non si trova in forma elementare in natura, ma sempre in composti. È il sesto elemento più abbondante sulla terra e costituisce circa il 3% della crosta terrestre. I minerali di sodio più comuni si trovano nelle rocce. Tra questi, il cloruro di sodio, comunemente chiamato salgemma, si trova in zone di mare prosciugate, mentre il nitrato di sodio, altamente solubile, è presente in zone particolarmente aride, come il deserto di Atacama in Cile.  La più grande riserva di sodio è però l’acqua di mare: un litro di acqua di mare contiene in media 11 grammi di ioni di sodio.

La più grande miniera di sale sotterranea del mondo si trova in Canada, nello stato dell’Ontario, a 3 km sotto il lago Huron. Qui, oltre 400 persone lavorano ogni giorno per estrarre il sale da utilizzare nelle strade del Paese nei lunghi mesi invernali. In Europa, la più grande miniera si trova in Romania, nella città di Unirea, e costituisce un’importante attrazione turistica oltre che essere un centro benessere. Altre miniere di sale famose nel mondo sono quella in Colombia, la Cattedrale del Sale, che attira oltre 3000 turisti ogni fine settimana; quella di Khewra, in Pakistan, che è la seconda per dimensioni al mondo; e la salina di Danakil, in Etiopia, considerata il luogo abitabile più caldo sul pianeta.

Il simbolo del sodio “Na” ha origini antiche. Nell’Antico Egitto, il nome del sale era “natron”, derivato da “Ntry”, che significa puro, divino. La sostanza diede il nome al luogo estrattivo Wādī al-Natrūn, una valle che ancora oggi possiede elevate quantità di carbonato di sodio e da dove veniva estratto il materiale per le attività di imbalsamazione. Per i suoi impieghi religiosi, il sodio era quindi associato alla radice “Ntr” che significa dio. Dal sale, peraltro, deriva la parola “salario”, poiché i soldati dell’antica Roma venivano a volte pagati anche con una razione di sale. Nell’Europa medioevale, un composto del sodio, il “sodanum” veniva usato in ambito medico, mentre il sale da cucina era un bene prezioso e raro. Solo all’inizio del Diciannovesimo secolo il sodio venne isolato dai composti attraverso l’elettrolisi della soda caustica. Oggi, il sodio è prevalentemente conosciuto per il suo utilizzo in ambito culinario e viene estratto dai minerali o dall’essicazione di soluzioni saline di acqua di mare. Dagli anni Settanta, l’utilizzo industriale del sodio è diminuito, ma alcuni dei suoi minerali vengono ancora estratti in grandi quantità a tale scopo. Un esempio è il minerale della soda, che viene impiegato nella produzione di vetro.

Negli ultimi anni, con l’avvio della transizione energetica e il grande impulso nella ricerca di nuove materie prime, più ecosostenibili del petrolio e del carbone, le proprietà del sodio sono state rivalutate, soprattutto per ovviare ai difetti del litio, che per il momento è il protagonista indiscusso nella produzione delle batterie elettriche per i veicoli elettrici (EV). Nonostante la sua ampia varietà di applicazioni infatti, il litio ha un costo ambientale elevato e presenta alcune criticità tecniche nel suo utilizzo non irrilevanti, come l’alta infiammabilità e le difficoltà di smaltimento.

Montagne di sale nel deserto di Atacama, in Cile

 

Dal tramonto all’alba

L’Unione Europea sta lavorando al fine di coprire il 42,5% del consumo energetico con fonti rinnovabili entro il 2030. Tuttavia, le stime dell’Agenzie europea dell’ambiente rivelano che i progressi in tale direzione sono più lenti di quanto auspicato.

Previsioni sui progressi nell’utilizzo dell’energia rinnovabile degli Stati membri dell’Unione Europea

 

Inoltre, l’intermittenza delle fonti pulite, come il sole e il vento, limita la loro disponibilità energetica sia dal punto di vista temporale – di notte il sole non scalda i pannelli – che geografico – le regioni prive di sole o vento sono ovviamente svantaggiate. Per raggiungere gli ambiziosi obiettivi green degli stati membri dell’Unione Europea, è quindi fondamentale risolvere il dilemma dell’accumulo di energia. I sistemi di accumulo di batterie su scala di rete sono parte della soluzione, poiché garantiscono uno stoccaggio di elettricità superiore a quelli di piccola scala, più adatti ai centri abitativi, e vengono quindi destinati al settore industriale. In Europa, il Regno Unito è il Paese che più si sta affidando a questa nuova tecnologia e, secondo le previsioni di Commodity Insights –  una divisione di S&P Global, il principale fornitore mondiale di analisi dei mercati globali delle materie prime – sarà il più grande mercato europeo per i sistemi di batterie su scala di rete entro il 2030, con una capacità di 12,5 GW, seguito dalla Germania e dalla Spagna.

Per garantire una fornitura energetica completamente sostenibile, è necessario che anche il materiale delle batterie sia “verde”. È qui che nasce la competizione tra il sodio e il litio. Tra il 1970 e il 1990, vennero studiate sia le batterie al sodio che al litio. Queste ultime ebbero maggior successo; vennero commercializzate e ulteriormente sviluppate lasciando in sospeso la ricerca su quelle al sodio. Negli ultimi anni, gli studi sul sodio sono stati ripresi e i risultati potrebbero invertire il futuro dei due metalli, oltre che rivoluzionare il mondo tecnologico.

Sia il litio che il sodio sono metalli alcalini, pertanto condividono alcune caratteristiche chimico-fisiche, come la morbidezza, la leggerezza e la reattività. Inoltre, nessuno dei due è presente allo stato libero in natura. Nonostante la loro vicinanza sulla tavola periodica, i due metalli presentano anche sostanziali differenze. La più importante tra queste è la dimensione della massa atomica: quella del sodio è tre volte maggiore rispetto a quella del litio. Tale caratteristica comporta uno stress meccanico maggiore e un degrado della grafite, l’altro materiale comunemente utilizzato nella creazione delle batterie elettriche, poiché a contatto con il sodio questa subisce reazioni irreversibili di esfoliazione, distruggendosi in tempi brevi.

Affinché la batteria al sodio abbia successo quindi è necessario trovare un elettrodo negativo idoneo, che sostituisca la grafite e che permetta di aumentare i cicli di vita della batteria. La batteria a ioni di sodio inoltre fornisce un voltaggio massimo inferiore rispetto ad una batteria al litio. Il breve ciclo di vita e la bassa densità energetica, ovvero la quantità di energia accumulata rispetto al volume della batteria, sono quindi tra i principali limiti delle batterie al sodio. Esse possono infatti immagazzinare solo circa due terzi di energia delle batterie agli ioni di litio di dimensioni equivalenti. Tuttavia, recentemente la compagnia svedese Northvolt ha annunciato che sarà in grado di eguagliare la densità energetica del litio. Questa scoperta può segnare un passo decisivo nella ricerca e un punto a favore del sodio per il suo impiego nella costruzione delle batterie elettriche.

La fabbrica Northvolt in Svezia

 

La possibile alternativa al litio

La rinnovata attenzione nei confronti delle batterie al sodio è principalmente dovuta alla necessità di trovare alternative concrete al litio, che, a causa delle sue modalità di estrazione e lavorazione, non soddisfa molti requisiti di sostenibilità – e il cui processo industriale è ormai quasi completamente controllato dalla Cina.

 

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Le miniere di litio richiedono ingenti quantità di acqua e rilasciano tonnellate di anidride carbonica, oltre a essere un ambiente di lavoro molto pericoloso. Inoltre, pur essendo presente in natura in molte rocce e in alcune salamoie, il litio non è una risorsa inesauribile. Per quanto riguarda le batterie a litio, per avere alti livelli di efficienza, devono contenere anche cobalto e nichel, anch’essi largamente criticati per il loro impatto ambientale. A causa di questi fattori, negli ultimi anni, i prezzi di questo materiale sono cresciuti esponenzialmente, tanto da fargli guadagnare il titolo di “oro bianco”.

Al contrario, il sodio si trova quasi ovunque sulla superficie terrestre e il carbonato di sodio si può anche produrre sinteticamente dal sale e calcare. La facile reperibilità di questo metallo contribuisce al contenimento dei costi, rendendo le batterie al sodio più competitive dal punto di vista economico. Le stime del costo iniziale delle batterie agli ioni di sodio variano tra i 40 e gli 80 dollari/kWh, a fronte dei 120 dollari/kWh per quelle al litio.

Inoltre, l’estrazione del sodio dai giacimenti marini provoca meno danni ambientali rispetto alle miniere del litio, sebbene non sia del tutto priva di rischi per i fondali marini, come denunciano alcuni attivisti.

La batteria al sodio garantisce anche elevati standard di sicurezza, in quanto le celle basate su questo elemento non sono infiammabili e non sono soggette a esplosioni o cortocircuiti. Queste batterie riescono a sopportare temperature rigide con la possibilità di operare in un intervallo di temperature che va da −20 a 60 °C, mentre le celle al litio hanno un range operativo compreso tra 0° e 50°. Un altro potenziale vantaggio per la sicurezza è che le batterie agli ioni di sodio possono essere immagazzinate non caricate, mentre quelle agli ioni di litio vengono solitamente trasportate cariche al 50-70%, poiché la scarica completa può rovinare le batterie. Questo alto grado di sicurezza rende i dispositivi Na-ion adatti anche ai sistemi di stoccaggio energetici rinnovabili, come impianti fotovoltaici ed eolici, i quali, a causa della loro intermittenza, necessitano di frequenti cicli di carica e scarica durante il giorno.

Infine, anche in termini di riciclaggio le batterie al sodio presentano vantaggi significativi. Secondo un’analisi del Dipartimento Politiche Economiche, Scientifiche e Qualità della Vita del Parlamento Europeo, la cella al cloruro di sodio-nichel, se completamente scarica, non contiene più materiali reattivi, al contrario di quella al litio. Di conseguenza, la batteria viene ridotta prima di iniziare il processo di riciclaggio. I componenti solubili, tra cui il cloruro di sodio, vengono eliminati dopo aver tagliato le celle in pezzi. Il materiale insolubile e la ceramica vengono invece sottoposti a setacciatura meccanica e separazione magnetica, mentre i componenti di valore, come i metalli, vengono recuperati per la lavorazione e il successivo riutilizzo.

 

Tuttavia, nonostante il rinnovato interesse, per il momento le batterie al litio continuano ad essere le favorite sul mercato, anche perché beneficiano di decenni di investimenti rispetto a quelle al sodio. In più le riserve di litio, anche se non infinite, sono ancora abbondanti sulla terra.

 

La competizione industriale

Come per molte altre tecnologie verdi emergenti, anche nel caso delle batterie al sodio è la Cina a detenere il primato. Nel 2021, CATL, un produttore cinese di batterie, ha annunciato la prima batteria al sodio per veicoli elettrici e la casa automobilistica cinese Chery sarà tra le prime a utilizzarla nel suo nuovo marchio iCar già a partire dal 2024. Anche altri produttori cinesi, come HiNa e JAC group, stanno seguendo l’esempio con i loro veicoli elettrici. L’impegno di Pechino nella ricerca e sviluppo delle proprietà energetiche del sodio fa parte di una più ampia strategia economica, che coinvolge oltre 36 aziende cinesi, decine di fabbriche di batterie agli ioni di sodio e progetti internazionali, tra cui un impianto in Malesia.

Tuttavia, la facilità di reperimento della materia prima e la necessità di ampliare il mercato di approvvigionamento energetico potrebbero velocizzare i progressi dei Paesi OCSE e creare nuove partnership strategiche. Sia gli Stati Uniti che l’Unione Europea hanno annunciato importanti programmi di sussidi per la transizione ecologica, come l’Inflation Reduction Act del 2022 dell’Amministrazione Biden e il Net Zero Industry Act del 2023 della Commissione. Nello specifico, Francia, Gran Bretagna e Svezia mirano a diventare i pionieri della ricerca e sviluppo delle batterie al sodio. In Francia, l’azienda produttrice di batterie al sodio Tiamat ha recentemente accolto tra i suoi investitori Stellantis, il quarto gruppo automobilistico mondiale. In Gran Bretagna, Amte Power sta sviluppando la cella agli ioni di sodio Ultra Safe, come alternativa a quella al litio nei sistemi di accumulo di energia. La Svezia invece è la sede della già citata Northvolt, pioniera dello sviluppo delle batterie al sodio in Europa.

Dal punto di vista legislativo, la Commissione Europea non ha inserito il sodio nella lista delle materie prime critiche elaborata nel 2011 e aggiornata nel 2020. Tuttavia, a inizio anno, la Commissione ha annunciato aiuti di Stato per 4 miliardi di euro per sostenere le fabbriche di batterie e tecnologie verdi. Il sostegno mira a impedire che la produzione venga attirata all’estero con la promessa di maggiori sovvenzioni. Ad esempio Northvolt riceverà 902 milioni di euro di contributi per la costruzione di un nuovo stabilimento a Heide, in Germania, mentre un’ampia gamma di fabbriche di tecnologie pulite in Francia riceverà aiuti per 2,5 miliardi di euro. L’UE ha dichiarato che i fondi destinati agli stabilimenti Northvolt le consentiranno di “produrre celle per batterie in Europa anziché negli Stati Uniti”. Si tratta del primo aiuto di Stato approvato nell’ambito di un regime speciale volto a impedire che gli impianti di produzione vengano attirati all’estero con la promessa di maggiori sussidi.

 

La svolta per le batterie al sodio sembra imminente, tuttavia è necessario procedere con cautela e non sottovalutare i rischi e le incertezze di queste nuove tecnologie. Come per quelle al litio, anche le batterie al sodio necessiteranno di tempistiche lunghe per un completo sviluppo. Secondo le stime, entro il 2030 gli impianti di batterie al sodio potrebbero avere una notevole capacità produttiva, ma si prevede che solo poco più della metà di questa capacità sarà utilizzata per la produzione di celle, pari ad appena il 2% della produzione di celle al litio prevista per lo stesso anno.

Qualora i costi delle altre materie prime, come il litio, il cobalto e il nichel, continuassero ad aumentare, l’impiego del sodio potrebbe essere ulteriormente incentivato, migliorandone le prestazioni complessive. Le tendenze economiche e l’impulso alla ricerca saranno quindi fattori incisivi per lo sviluppo futuro delle batterie al sodio.