Tunnel molecolari per il sodio, un elettrolita solido che si auto-organizza per fermare i dendriti e rendere il sodio metallico una alternativa reale e a basso costo all'accumulo di energia rinnovabile

Oltre il litio, ma con un ostacolo

Il mercato italiano dell'accumulo elettrochimico allo stato attuale si basa sul litio ferro fosfato (LiFePO4 - in sigla LFP), la chimica che ha reso lo storage di rete abbastanza economico da diventare infrastruttura (ne abbiamo parlato analizzando il boom dei BESS in Italia). Per coprire il fabbisogno di lungo periodo, però, il Paese guarda anche ad altri elementi chimici alternativi, e il sodio è forse il più promettente poiché costa poco, è abbondante (è il sesto elemento più abbondante sulla crosta terrestre) ed è distribuito su tutto il pianeta, al contrario del litio concentrato in specifiche aree (Sud America, Australia, Cina, USA, Zimbabwe).

La versione più ambiziosa è quella rappresentata dalla batteria al sodio metallico, in inglese sodium metal battery (SMB), che impiega sodio puro come materiale per gli elettrodi e promette di immagazzinare energia a basso costo. Il freno non è l'idea in sè quanto invece la sicurezza di tali dispositivi da un punto di vista elettrico. Ed è proprio qui che interviene uno studio pubblicato sulla rivista Journal of the American Chemical Society dal team di ricercatori coordinato da Cheng Zhang presso l'Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology dell'Università del Queensland.

I dendriti, le spine che "crescono" dentro la batteria

Il problema principale del sodio metallico ha un nome ben preciso: dendriti. Possiamo definirle come minuscole spine metalliche che si formano sull'elettrodo negativo (anodo) a ogni ciclo di carica e scarica, crescono verso l'interno e possono perforare gli strati della batteria, provocando cortocircuiti. Possiamo immaginare tali spine come delle stalattiti che si allungano fino a toccare la parete opposta di una grotta: quando questo accade, il sistema va in cortocircuito.

Queste spine crescono soprattutto quando l'elettrolita, il mezzo che permette agli ioni di muoversi tra anodo e catodo (i due elettrodi negativo e positivo rispettivamente), diventa instabile dopo svariati cicli. La maggior parte delle batterie usa un elettrolita liquido, ma i liquidi sono infiammabili e possono surriscaldarsi, con il rischio di incendi già noti nei veicoli elettrici e nei monopattini. Un elettrolita solido e non infiammabile eliminerebbe in modo radicale sia il pericolo di fiamma sia quello delle dendriti. Il difficile è realizzarne uno in grado di far fluire gli ioni sodio da un elettrodo all'altro abbastanza velocemente.

Un materiale che si organizza in autonomia

La soluzione proposta dai ricercatori è un copolimero a blocchi (ossia dei segmenti) fluorurato, una lunga molecola "cucita" insieme da tre parti diverse. La prima è un segmento perfluoropolietere, in inglese perfluoropolyether (PFPE), stabile e non infiammabile, che dà robustezza al materiale. La seconda è un segmento di ossido di polietilene, in inglese polyethylene oxide (PEO), la corsia lungo cui scorrono gli ioni sodio. La terza è un blocco che porta una carica negativa agganciata in modo permanente alla catena del polimero.

Quest'ultimo dettaglio conta più di quanto potrebbe sembrare: siccome le cariche negative restano fissate al polimero e non possono muoversi, a viaggiare è soltanto il sodio. È quello che i chimici chiamano un conduttore a singolo ione (single-ion conductor), una caratteristica preziosa perché evita gli squilibri di concentrazione che, in molti elettroliti, rallentano la carica e accelerano il degrado della batteria.

Il trucco sta nel fatto che i due segmenti non si mescolano, un po' come olio e acqua che sono immiscibili. I due segmenti si separano ordinatamente su scala nanometrica e si dispongono in schemi regolari e ripetuti. In gergo si parla di auto-assemblaggio: il materiale, da solo, costruisce la propria architettura interna senza che nessuno debba disegnarla.

La struttura a tunnel

Tra le varie forme che il copolimero può assumere, i ricercatori hanno individuato quella vincente: una morfologia cubica a corpo centrato (struttura cristallina composta da un atomo in ognuno dei vertici del cubo e un atomo che si trova esattamente al centro geometrico), in inglese body-centered cubic (BCC), tridimensionale e interconnessa. È come una rete di gallerie che si intreccia in ogni direzione, offrendo agli ioni sodio un percorso continuo da un capo all'altro dell'elettrolita. Questa struttura compare in modo robusto quando il perfluoropolietere occupa tra il 15 e il 30 per cento del volume del materiale.

La fase a tunnel BCC è quella conduce meglio: raggiunge una conducibilità ionica fino a 1,42 × 10⁻⁴ siemens per centimetro alla temperatura di 80 °C, il valore più alto tra tutte le morfologie testate, e la variante migliore è quella in cui il perfluoropolietere occupa circa il 28 per cento del volume. C'è un vantaggio in più, e arriva proprio dal fluoro: a contatto con il sodio metallico, favorisce la formazione di un sottile strato protettivo ricco di fluoruro di sodio. Tale strato stabilizza l'interfaccia tra elettrolita ed elettrodo e aiuta il sodio a depositarsi in modo uniforme, ciclo dopo ciclo, ciò che esattamente riesce a controllare la crescita dei dendriti.

I numeri, e i loro limiti

Le prove di laboratorio hanno seguito due strade. Nelle celle simmetriche, la configurazione che serve a isolare il comportamento del solo elettrolita, il materiale ha retto oltre 5000 ore di deposito e rimozione ripetuti del sodio senza cedere alle dendriti. Nelle celle complete, con un catodo di fosfato di vanadio e sodio (Na₃V₂(PO₄)₃, sigla NVP), la batteria ha mantenuto oltre il 91 per cento della capacità dopo mille cicli, con un'efficienza di carica-scarica costantemente sopra il 99,8 per cento. Anche a un ritmo di carica più rapido ha superato i 350 cicli conservando circa il 97 per cento della capacità.

I risultati sono risultati solidi, ma vanno letti per quello che sono. Primo: tutte le misure sono state condotte a una temperatura di 80 °C, non a temperatura ambiente, e la conducibilità resta circa un ordine di grandezza sotto quella di un buon elettrolita liquido. Le prestazioni a temperatura ambiente, quelle che contano per l'uso reale, restano tutte da dimostrare. Secondo: le celle complete sono dispositivi da laboratorio con un catodo scelto ad hoc, non un formato commerciale prodotto su scala industriale. Terzo: attualmente siamo al livello della ricerca di laboratorio sui materiali. Il valore dello studio non è quelo di annunciare una batteria pronta all'uso per il mercato, ma dimostrare un principio di progetto: controllare la forma della materia su scala nanometrica permette di governare il trasporto degli ioni e controllare le dendriti del sodio.

Cosa significa tutto ciò per la rete elettrica?

Il punto di forza del sodio non è la densità di energia, dove il litio resta ancora l'elemento con la maggiore densità energetica, ma il costo e la disponibilità delle materie prime. Sono esattamente le qualità che contano per l'accumulo stazionario di lunga durata, quello che serve alla rete elettrica per immagazzinare l'energia rinnovabile prodotta in eccesso e restituirla quando serve. È il segmento in cui l'Italia dovrà colmare il divario più grande da qui al 2030 (come raccontiamo nell'analisi sul mercato dell'accumulo).

Un elettrolita solido come questo non sostituirà, nei prossimi anni, il litio ferro fosfato. Ma sembra indicare una direzione: rendere il sodio metallico abbastanza sicuro e duraturo da diventare, un giorno, una delle strade su cui poggerà l'accumulo dell'energia rinnovabile. La strada dal laboratorio alla rete elettrica è ancora lunga, e passa da nodi critici come le prestazioni a temperatura ambiente e la produzione dei sistemi di accumulo su scala industriale.

Riferimenti

Chen Z., Yang Z., Tan X., Wang Y., Luo B., Wang X., Forsyth M., Hawker C. J., Searles D. J., Zhang C. «Self-Assembled Ion Transport Channels in Block Copolymer Electrolytes for Dendrite-Free All-Solid-State Sodium Batteries». Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c09890