I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno progettato una nuova classe di batterie al sodio fuso per lo stoccaggio di energia su scala di rete. Le batterie al sodio fuso sono state utilizzate per molti anni per immagazzinare energia da fonti rinnovabili, come pannelli solari e turbine eoliche. Tuttavia, le batterie al sodio fuso disponibili in commercio, chiamate batterie sodio-zolfo, funzionano tipicamente a 520-660 gradi Fahrenheit. La nuova batteria allo ioduro di sodio fuso di Sandia funziona invece a una temperatura molto più fredda di 230 gradi Fahrenheit.
"Abbiamo lavorato per ridurre la temperatura di esercizio delle batterie al sodio fuso il più basso possibile fisicamente", ha affermato Leo Small, il ricercatore capo del progetto. “C'è un intero risparmio sui costi a cascata che viene fornito con l'abbassamento della temperatura della batteria. Puoi usare materiali meno costosi. Le batterie hanno bisogno di meno isolamento e il cablaggio che collega tutte le batterie può essere molto più sottile".
Tuttavia, la chimica della batteria che funziona a 550 gradi non funziona a 230 gradi, ha aggiunto. Tra le principali innovazioni che hanno permesso questa temperatura di esercizio più bassa c'era lo sviluppo di quello che lui chiama un catolita. Un catolita è una miscela liquida di due sali, in questo caso ioduro di sodio e cloruro di gallio.
Nozioni di base per costruire batterie migliori
Una batteria al piombo di base, comunemente usata come batteria di accensione per auto, ha una piastra di piombo e una piastra di biossido di piombo con un elettrolita di acido solforico nel mezzo. Quando l'energia viene scaricata dalla batteria, la piastra di piombo reagisce con l'acido solforico per formare solfato di piombo ed elettroni. Questi elettroni avviano l'auto e ritornano dall'altra parte della batteria, dove la piastra di biossido di piombo utilizza gli elettroni e l'acido solforico per formare solfato di piombo e acqua. Per la nuova batteria al sodio fuso, la piastra di piombo è sostituita da metallo di sodio liquido e la piastra di biossido di piombo è sostituita da una miscela liquida di ioduro di sodio e una piccola quantità di cloruro di gallio, ha affermato Erik Spoerke, uno scienziato dei materiali che ha lavorato su batterie al sodio fuso per più di un decennio.
Quando l'energia viene scaricata dalla nuova batteria, il metallo di sodio produce ioni di sodio ed elettroni. D'altra parte, gli elettroni trasformano lo iodio in ioni ioduro. Gli ioni sodio si muovono attraverso un separatore verso l'altro lato dove reagiscono con gli ioni ioduro per formare sale di ioduro di sodio fuso. Invece di un elettrolita di acido solforico, il centro della batteria è uno speciale separatore ceramico che consente solo agli ioni di sodio di spostarsi da un lato all'altro, nient'altro.
"Nel nostro sistema, a differenza di una batteria agli ioni di litio, tutto è liquido sui due lati", ha detto Spoerke. “Ciò significa che non dobbiamo affrontare problemi come il materiale che subisce complessi cambiamenti di fase o che cade a pezzi; è tutto liquido Fondamentalmente, queste batterie a base liquida non hanno una durata limitata come molte altre batterie”.
In effetti, le batterie commerciali al sodio fuso hanno una durata da 10 a 15 anni, significativamente più lunga delle normali batterie al piombo o agli ioni di litio.
Batterie a lunga durata più sicure
La piccola batteria a ioduro di sodio di Sandia è stata testata per otto mesi all'interno di un forno. Martha Gross, una ricercatrice post-dottorato che ha lavorato ai test di laboratorio negli ultimi due anni, ha condotto esperimenti caricando e scaricando la batteria più di 400 volte in quegli otto mesi.
A causa della pandemia di COVID-19, hanno dovuto sospendere l'esperimento per un mese e lasciare che il sodio fuso e il catolita si raffreddassero a temperatura ambiente e si congelassero, ha detto. Gross era contento che dopo aver riscaldato la batteria, funzionasse ancora.
Ciò significa che se dovesse verificarsi un'interruzione energetica su larga scala, come è successo in Texas a febbraio, le batterie allo ioduro di sodio potrebbero essere utilizzate e poi lasciate raffreddare fino al congelamento. Una volta terminata l'interruzione, potrebbero essere riscaldati, ricaricati e riportati al normale funzionamento senza un processo di avvio lungo o costoso e senza il degrado della chimica interna della batteria, ha aggiunto Spoerke.
Le batterie allo ioduro di sodio sono anche più sicure. Spoerke ha dichiarato: "Una batteria agli ioni di litio prende fuoco quando si verifica un guasto all'interno della batteria, causando un surriscaldamento incontrollato della batteria. Abbiamo dimostrato che non può succedere con la chimica della nostra batteria. La nostra batteria, se dovessi togliere il separatore ceramico e permettere al sodio metallico di mescolarsi con i sali, non succede nulla. Certo, la batteria smette di funzionare, ma non c'è nessuna reazione chimica violenta o fuoco”.
Se un incendio esterno avvolge una batteria allo ioduro di sodio, è probabile che la batteria si spezzi e si guasti, ma non dovrebbe aggiungere carburante al fuoco o causare un incendio di sodio, ha aggiunto Small.
Inoltre, a 3.6 volt, la nuova batteria agli ioduri di sodio ha un funzionamento superiore del 40% voltaggio di una batteria commerciale al sodio fuso. Questa tensione porta a una maggiore densità di energia e ciò significa che le potenziali batterie future realizzate con questa chimica avrebbero bisogno di meno celle, meno connessioni tra le celle e un costo unitario complessivo inferiore per immagazzinare la stessa quantità di elettricità, ha affermato Small.
"Eravamo davvero entusiasti di quanta energia potremmo potenzialmente stipare nel sistema a causa del nuovo catolita che stiamo riportando in questo documento", ha aggiunto Gross. “Le batterie al sodio fuso esistono da decenni e sono sparse in tutto il mondo, ma nessuno ne parla mai. Quindi, essere in grado di abbassare la temperatura e tornare con alcuni numeri e dire: "questo è un sistema davvero, davvero praticabile" è piuttosto accurato".
Il futuro delle batterie agli ioduri di sodio
Il prossimo passo per il progetto della batteria allo ioduro di sodio è continuare a mettere a punto e perfezionare la chimica del catolita per sostituire il componente cloruro di gallio, ha detto Small. Il cloruro di gallio è molto costoso, oltre 100 volte più costoso del sale da cucina.
Il team sta anche lavorando su varie modifiche ingegneristiche per far caricare e scaricare la batteria più velocemente e più completamente, ha aggiunto Spoerke. Una modifica precedentemente identificata per accelerare la ricarica della batteria era quella di rivestire il lato del sodio fuso del separatore ceramico con un sottile strato di stagno.
Spoerke ha aggiunto che probabilmente ci vorranno dai cinque ai 10 anni per immettere sul mercato le batterie allo ioduro di sodio, con la maggior parte delle sfide rimanenti legate alla commercializzazione, piuttosto che alle sfide tecniche.
"Questa è la prima dimostrazione del ciclo stabile a lungo termine di una batteria al sodio fuso a bassa temperatura", ha affermato Spoerke. “La magia di ciò che abbiamo messo insieme è che abbiamo identificato la chimica del sale e l'elettrochimica che ci consentono di operare efficacemente a 230 gradi Fahrenheit. Questa configurazione a ioduro di sodio a bassa temperatura è una sorta di reinvenzione di ciò che significa avere una batteria al sodio fuso".
Lo sviluppo della nuova batteria al sodio è stato sostenuto dall'Ufficio del Dipartimento dell'Energia del Impianti elettrici Programma di accumulo di energia.