Le aziende energetiche globali come Tesla e Sonnen afferrano i titoli per l’installazione di enormi batterie agli ioni di litio su scala elettrica in luoghi come Australia, Porto Rico e Stati Uniti. Sarebbe quindi facile supporre che agli ioni di litio è l’unica scelta per il supporto della batteria di utenze elettriche. Mentre le batterie agli ioni di litio rappresentano il 59% dello stoccaggio della griglia elettrochimica, esistono altre tecnologie per le batterie. Uno di questi è lo zolfo di sodio (NaS).
Le batterie NaS rientrano in una categoria denominata batterie ad alta temperatura. Sono chiamati questo perché sono necessarie temperature elevate per mantenere i materiali anodo e catodo in uno stato fuso affinché la batteria funzioni. Durante il funzionamento, la reazione chimica che avviene crea abbastanza calore per mantenere lo stato fuso. È solo durante l’avvio o quando la batteria è inattiva che deve verificarsi il riscaldamento esterno.
L’uso di sodio fuso come anodo (elettrodo negativo) e zolfo fuso come catodo (elettrodo positivo) sono stati sviluppati da Ford Motor Company nel 1960. La temperatura di esercizio di 300-350°C-necessaria per mantenere il sodio e lo zolfo in uno stato fuso-insieme ai pericoli del metallo sodico altamente reattivo, presentava pericoli per l’uso della batteria NaS nei veicoli elettrici (EV) sulle strade. Alla fine, Ford abbandonò l’idea per i veicoli elettrici.
NGK ha sviluppato una significativa capacità della batteria NAS (Sodium Sulfur) su scala di rete in tutto il mondo. (Fonte immagine: NGK)
Lo specialista in ceramica NGK Insulators, in Giappone, ha iniziato a lavorare con il concetto NaS nel 1989. NGK ha aggiunto una sottile membrana elettrolitica in ceramica di allumina beta tra i materiali fusi. Durante lo scarico, la membrana ceramica consente solo agli ioni di sodio caricati positivamente di passare attraverso, dal sodio fuso negativo allo zolfo fuso positivo. Durante la carica, il processo è invertito. In collaborazione con la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), NGK è entrato in produzione con la sua batteria stazionaria NAS commerciale per il supporto alla rete di energia rinnovabile nel 2002.
NGK ha trovato ulteriori applicazioni in Giappone per la sua batteria NaS, incluso il livellamento del carico presso parchi eolici e altri servizi di rete. La tecnologia si è diffusa in altre parti del mondo. Ad oggi, sono presenti più di 300 MW di storage NaS in 170 paesi. Ciò rappresenta circa il 3% dello stoccaggio totale della griglia elettrochimica.
Secondo l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA) nel suo rapporto sull’accumulo di energia elettrica e le rinnovabili di ottobre 2017, la densità di energia di una batteria NaS è compresa tra 140 e 300 watt-ora/litro (Wh/L). Questo è un po ‘ meno del 500 Wh/L di una batteria agli ioni di litio di generazione corrente. Ciò che il NaS offre è una durata di servizio molto più lunga—più di 5.000 cicli di carica e scarica. Questo è quasi il doppio di quello che è possibile con una batteria agli ioni di litio. NaS offre anche costi leggermente inferiori (in gran parte a causa di essere fatto da materiali a basso costo e abbondanti) rispetto alle batterie agli ioni di litio.
Sostituzione della membrana ceramica
Uno dei fattori limitanti all’accettazione di batterie ad alta temperatura è stata la natura fragile della membrana ceramica tra i componenti anodo fuso e catodo. La membrana sottile come carta si danneggia facilmente quando la batteria è in funzione. Ora, un gruppo di ricerca del MIT ha pubblicato un documento su Nature dettagliare l’uso di una rete metallica per sostituire la membrana ceramica in batterie ad alta temperatura.
L’approccio adottato dal team del MIT è stato quello di sostituire la funzione della membrana ceramica fragile con una maglia metallica più robusta e flessibile, appositamente rivestita. Dopo aver sperimentato una varietà di materiali, i migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando una rete d’acciaio rivestita con una soluzione di nitruro di titanio. Il risultato è una batteria praticabile e a basso costo.
Il team ha anche trovato qualcosa di inaspettato. Citando un comunicato stampa del MIT, ” La membrana aveva svolto il suo ruolo—permettendo selettivamente a determinate molecole di passare attraverso mentre bloccava altre-in un modo completamente diverso, usando le sue proprietà elettriche piuttosto che il tipico ordinamento meccanico basato sulle dimensioni dei pori nel materiale (ceramico).”
“Considero questo un passo avanti”, ha detto il professore del MIT Donald Sadoway, nel comunicato stampa del MIT. “Il fatto che tu possa costruire un tipo di batteria sodio-zolfo o un tipo di batteria sodio / nichel-cloruro, senza ricorrere all’uso di ceramica fragile e fragile, cambia tutto”, ha detto.
Le batterie agli ioni di litio rimarranno la scelta migliore per l’elettronica personale e per alimentare i veicoli elettrici nel prossimo futuro. Tuttavia, il potenziale per le batterie ad alta temperatura-in particolare quelli che utilizzano sodio fuso e zolfo—potrebbe contribuire a ridurre i costi e migliorare l’affidabilità delle reti energetiche che si basano su fonti di energia rinnovabili.
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Il Senior Editor Kevin Clemens ha scritto di energia, automotive e trasporti per più di 30 anni. Ha conseguito un master in Ingegneria dei Materiali e Educazione Ambientale e un dottorato in Ingegneria Meccanica, specializzato in aerodinamica. Ha stabilito diversi record mondiali di velocità terrestre su motociclette elettriche che ha costruito nel suo laboratorio.
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