Batterie al sale | Bufala o realtà?!?

Batterie al sale: tra fantasia, mito e realtà, che cosa c’è di vero

Esistono veramente? Funzionano?

Se esistono e funzionano, quali sono i vantaggi o gli svantaggi rispetto alle batterie al litio?

Ma soprattutto: è vero che sono così ecosostenibili?

Batteria: che cos’è e come funziona

Batteria: accumulatore: accumula energia.

Ti starai chiedendo: come fa un oggetto a contenere energia?!?

E’ energia chimica, o meglio…elettrochimica.

Una batteria è infatti una cella elettrochimica, nella quale si verificano reazioni che si chiamano “redox”, di ossidazione e riduzione. 

E’ un discorso una po’ complesso ma in sostanza sono reazioni chimiche nelle quali determinati atomi cambiano il loro stato tra virgolette “di carica” cedendo o acquistando elettroni. 

Questi fenomeni determinano la formazione di una “forza motrice” (differenza di potenziale, quindi di carica) in grado di far muovere elettroni all’interno di un conduttore (quindi di fornire elettricità).

Il sistema è costituito da anodo, catodo e una barriera semipermeabile (elettrolita, allo stato liquido nelle batterie al piombo, membrana allo stato solido ad es. nelle batterie al litio, tipicamente beta allumina) che consente di regolare il passaggio di ioni dotati di carica limitando il passaggio di altri elementi. 

L’accumulo di cariche da una parte della cella determina uno sbilanciamento che consiste in una differenza di potenziale, che è quella che, nel momento in cui dovessimo collegare al sistema unconduttore, consentee il passaggio di elettroni, quindi di elettricità.

Il funzionamento di una batteria si basa sulla capacità di controllare chimicamente questi passaggi di ioni.

Litio e sodio: parenti stretti

Sodio e litio sono nello stesso gruppo della tavola periodica degli elementi.

Ma il sodio ha un vantaggio enorme: è molto più facilmente reperibile e disponibile.

Batterie al litio: usano appunto ioni di litio (ossidi di litio e cobalto) per produrre energia. Il litio è un elemento con numero atomico (numero di protoni nel nucleo) tra i più bassi: 3 e con il minor peso atomico.

Batterie al sale: usano ioni di sodio. Il sodio è differente. E’ più “grasso”, ha numero e peso atomico decisamente superiori (più di 3 volte tanto). E questo fa si che sia più complicato gestire l’intero sistema.

Di sali ne esistono svariati. Il “sale” per antonomasia, il salgemma o “sale da cucina” è il cloruro di sodio, quindi una molecola costituita da due atomi, uno di sodio e uno di cloro, legati insieme, che tuttavia in acqua ad esempio si dissociano in “ioni” (frammenti) Na+ (ioni sodio) e Cl- (ioni cloruro).

Quando l’ambiente lo permette (ad esempio in una soluzione) questi ioni si possono spostare (es. verso un anodo o verso un catodo), creando appunto spostamenti di carica.

Batterie al sale

Le batterie al sodio appartengono alla categoria delle cosiddette “ZEBRA batteries” (Zero Emission Battery Research Activities).

Sono sistemi sono basati su celle di nichel e cloruro di sodio operanti ad alte temperature (circa 270°C-350°C) e racchiuse in un contenitore termico. 

Non solo sodio quindi, ma anche nichel.

Utilizzano in genere come membrana semipermeabile un elettrolita solido costituito da un un tubo ceramico in β-allumina (biossido di alluminio).

Batterie al sale: una novità?

Non esattamente.

Il caso FIAMM (FZSonick)

E’ il 2015 quando, dopo anni di ricerche e di test, le batterie al sale di Elettra 1938 (ex Fiamm) attraverso la controllata FZSonick escono dall’impiego sperimentale per essere adottate dalle principali case produttrici di autobus.

Ebbene le batterie FZSonick sono ancora le più utilizzate anche da altri produttori che realizzano sistemi di accumulo, quantomeno in Italia.

Il caso CATL

CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited) è una società cinese fondata nel 2011 e specializzata nella produzione di batterie agli ioni di litio per autoveicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. Non è una società qualunque: nel 2021 è il più grande produttore di batterie al mondo.

Il 29 luglio del 2021 ha presentato il suo progetto di sviluppo di una nuova batteria a ioni di sodio, per la quale prevede di avviare il processo di industrializzazione nel 2023.

Altre esperienze

Esistono esperienze internazionali partite diversi anni fa, su questo tipo di tecnologia, quali Faradion (UK), la francese Tiamat Energy.

Batterie al sale: come funzionano

Per farla breve le batterie al sale utilizzano cloruro di sodio (sale), un catodo metallico in nichel e una membrana semipermeabile in β-allumina.

Quando sono scariche sono costituite sostanzialmente da cloruro di sodio e polveri metalliche. Quando sono cariche queste sostanze sono convertite in cloruri di nichel e sodio, secondo la reazione di ossidoriduzione:

2NaCl + Ni ⇆ NiCl₂ + Na+

Quando è carica la reazione è spostata a destra (quindi si produce cloruro di nichel), quando è scarica, a sinistra.

Quali i vantaggi?

Premetto che non entro negli aspetti tecnici nel dettaglio, ne riporto alcuni ma chiaramente in questa sede mi interessa approfondire gli aspetti che possono avere rilevanza in termini ambientali e di sostenibilità. 

Queste sono le caratteristiche dichiarate e che ho potuto verificare anche confrontandole con la letteratura tecnica:

• durata nel tempo, anche 20 anni;
• possono rimanere inutilizzate per molto tempo senza alcun problema (differenza rispetto alle batterie al litio!);
• non è un problema la scarica totale;
• indipendenza dalle condizioni ambientali: funzionano anche a temperature critiche (-20°C/+60°C), senza danneggiarsi. Aspetto rilevante per l’uso automobilistico e non solo, sappiamo essere un limite importante per le batterie al litio;
• ricarica rapida;
• elevata potenza di picco indipendentemente dallo stato di carica;
• non presentano reazioni di “runaway” (innalzamento accidentale di calore e pressione fino allo sviluppo di incendi/esplosioni);
• non riducono il rendimento nel tempo, mentre sappiamo che le batterie al litio hanno limiti notevoli.

Ambiente e sostenibilità

Vantaggi

• Non hanno i rischi di combustione delle batterie al litio;
• Il cloruro di sodio è di molto maggiore reperibilità, costi di estrazione ridotti rispetto al litio
• Totalmente riciclabili (dichiarate così, poi faremo alcune considerazioni)

Svantaggi

• Costi: un po’ più elevato (problema di mercato)
• Densità di energia (quantità di energia per unità di peso, anche se sono stati fatti enormi passi avanti)
• Temperature di esercizio elevate: circa 260 – 270°C, consumano parte dell’energia.
• C’è anche nichel, che non ha la stessa reperibilità nè gli stessi costi

Sostenibilità

Uno degli aspetti rilevanti è che queste batterie non contengono litio, con tutto quello che comporta la sua estrazione in termini di impatto ambientale (consumo di acqua, prodotti chimici, immissione di CO2 in atmosfera, rifiuti pericolosi) e la nostra dipendenza da altri paesi. 

Non contengono nemmeno altri materiali ad elevato impatto in termini di estrazione quale il cobalto.

Ma contengono nichel, che non è così abbondante nella crosta terrestre (lo sarebbe a quanto pare nel nucleo, ma direi che non è banalissimo arrivarci) e lavorazione ed estrazione hanno una certa complessità e quindi costi.

Ma vediamo un estratto da un esempio di scheda di sicurezza!

Ecco quindi che non è che all’interno ci sia solo “sale da cucina” nè che si possa “gettare via” come capita. La batteria va smaltita comunque con attenzione.

Prima di tutto perchè contiene RAEE e come tutte le AEE possono contenere sostanze pericolose. 

E poi perché abbiamo visto che i componenti delle celle possono contenere sostanze pericolose. Sostanze chimiche presenti nei materiali costitutivi ma anche sostanze che si sviluppano durante i processi elettrochimici che si verificano nelle fasi di carica e scarica.

Ovviamente sono sostanze contenute all’interno delle celle, non necessariamente disperse, se tutto viene avviato correttamente a smaltimento.

Quindi?

Le batterie al sale sono prodotti oggettivamente interessanti e che presentano certamente dei vantaggi.

Detto questo non può e non deve passare (anche in qualche modo implicitamente) l’idea che all’interno vi sia esclusivamente “sale da cucina”, o che si possa pensare di svuotare il contenuto delle celle nell’acqua bollente per poi cuocerci la pasta. Non è esattamente così.

E’ importante allora dal mio punto di vista che anche la comunicazione su questi temi sia adeguata.

I materiali sono recuperabili. Si tratta di sodio e non di litio, il che è cosa buona. Sono contenuti in una cella disassemblabile e interamente recuperabile. Ma va recuperata correttamente in impianti adeguati. 

La batteria, specialmente quando carica, abbiamo visto dalle SDS che può contenere sostanze pericolose. Non contiene solo cloruro di sodio bensì anche sali di nichel, materiale metallico, materiale ceramico (allumina), ecc. E per il recupero parliamo di impianti industriali con attrezzature e tecnologie adeguate.

Chiariti questi aspetti, che a me sembrano corretti in termini di trasparenza di comunicazione, la valutazione complessiva su questo genere di prodotti, anche in termini di sostenibilità e ambiente è certamente positiva.

Complessivamente questo genere di batterie ha oggettivamente importanti vantaggi, che sono quelli che ho descritto in questo video: vantaggi sicuramente in termini di sicurezza, in termini di materiali utilizzati, di minore dipendenza strategica da metalli e terre rare, di impatto dei processi di estrazione, di possibilità di smaltimento e recupero.

Peraltro uno dei temi che a livello globale si sta affrontando molto poco è lo smaltimento delle batterie al litio, molto diffuse peraltro.

Molti comunque sono gli studi in corso in diversi paesi su questo genere di batterie, con diversi tipi di applicazioni, non ultimo il settore automotive. 

Quindi, che dire, la realtà probabilmente è meno bucolica in termini di sostenibilità di quanto potrebbe apparire ad una prima e superficiale lettura.

Detto questo, benvenute le batterie al sale, che presentano comunque numerosi vantaggi in termini tecnologici, di performance ma anche di sostenibilità ambientale.

Naturalmente per queste come peraltro a maggior ragione per le batterie al litio, sarà importante attrezzarsi adeguatamente in termini tecnologici e industriali anche per il loro recupero.