Accumulare energia e togliere il sale dall’acqua: la svolta delle batterie al sodio con acqua strutturale

Una nuova batteria agli ioni di sodio basata su sodio vanadato idrato raddoppia la capacità di accumulo rispetto ai catodi tradizionali e funziona anche in acqua salata, aprendo scenari per accumulo energetico e desalinizzazione elettrochimica.

Le batterie agli ioni di sodio rappresentano una delle alternative più studiate alle tecnologie agli ioni di litio per l’accumulo elettrochimico di energia. La disponibilità abbondante del sodio, il suo costo ridotto e la distribuzione geografica meno concentrata rispetto al litio ne fanno un candidato strategico per sistemi di accumulo su larga scala.

Una recente ricerca della University of Surrey ha evidenziato un risultato controintuitivo: mantenere l’acqua strutturalmente legata all’interno di un materiale catodico a base di sodio migliora in modo significativo le prestazioni della batteria. Il composto studiato, un sodio vanadato idrato nanostrutturato (NVOH), ha mostrato una capacità di accumulo quasi doppia rispetto a molti catodi sodio-ion convenzionali, oltre a una stabilità superiore a 400 cicli di carica-scarica.

Il sistema ha inoltre dimostrato di funzionare in acqua salata, con rimozione simultanea di ioni sodio e cloruro, configurando un meccanismo di desalinizzazione elettrochimica integrato.

Perché il sodio è strategico per l’accumulo energetico

Le batterie agli ioni di litio dominano il mercato grazie alla loro elevata densità energetica e alla maturità tecnologica. Tuttavia, il litio è associato a criticità ambientali, costi crescenti e concentrazione delle riserve in poche aree del pianeta.

Il sodio, al contrario, è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre e nei mari. Questa abbondanza si traduce in vantaggi economici e geopolitici. Dal punto di vista elettrochimico, il sodio presenta potenziali redox compatibili con sistemi di accumulo competitivi, ma il suo raggio ionico maggiore rispetto al litio pone sfide strutturali nei materiali ospite.

La progettazione di catodi in grado di ospitare e rilasciare ioni sodio in modo reversibile e stabile resta il nodo centrale per competere con le tecnologie al litio.

Sodio vanadato idrato: struttura e proprietà

Il materiale oggetto dello studio è il sodio vanadato idrato nanostrutturato (NVOH), un composto a base di ossido di vanadio che incorpora molecole d’acqua nella propria struttura cristallina.

Tradizionalmente, i materiali catodici idrati vengono sottoposti a trattamenti termici per eliminare l’acqua residua, ritenuta responsabile di instabilità elettrochimica o degradazione. Il gruppo di ricerca ha messo in discussione questa prassi, valutando le prestazioni del materiale nella sua forma “umida”.

I risultati hanno mostrato che la presenza di acqua strutturale:

• Aumenta la capacità specifica del catodo.
• Accelera la cinetica di inserzione ed estrazione degli ioni sodio.
• Migliora la stabilità ciclica oltre 400 cicli.

La capacità di accumulo osservata risulta quasi doppia rispetto a molti materiali catodici sodio-ion standard riportati in letteratura.

Il ruolo dell’acqua nella dinamica elettrochimica

L’effetto positivo dell’acqua può essere interpretato alla luce di diversi fattori strutturali e cinetici. Le molecole d’acqua intercalate tra gli strati del materiale cristallino aumentano la distanza interlamellare, facilitando la diffusione degli ioni sodio.

Questa espansione strutturale riduce le barriere energetiche per l’inserzione ionica e limita le tensioni meccaniche associate ai cicli di carica e scarica. Il risultato è una maggiore reversibilità del processo redox e una minore degradazione della struttura nel tempo.

Inoltre, la presenza di acqua può contribuire a stabilizzare stati di ossidazione multipli del vanadio, favorendo una maggiore capacità teorica sfruttabile.

Prestazioni elettrochimiche e confronto con i catodi tradizionali

Nei test sperimentali, il catodo NVOH idrato ha mostrato:

• Capacità di carica quasi doppia rispetto ai catodi sodio-ion convenzionali.
• Elevata stabilità su oltre 400 cicli di carica-scarica.
• Buona risposta a velocità di carica elevate, indicativa di cinetica favorevole.

Questi parametri collocano il materiale tra i catodi sodio-ion più performanti attualmente documentati.

La stabilità ciclica è particolarmente rilevante per applicazioni su larga scala, come l’accumulo stazionario per reti elettriche alimentate da fonti rinnovabili, dove la durata operativa è un criterio determinante.

Funzionamento in acqua salata: una prova in ambiente estremo

Uno degli aspetti più innovativi dello studio riguarda il funzionamento del sistema in ambiente salino. Le batterie tradizionali richiedono elettroliti specifici e controllati; l’esposizione a soluzioni saline può causare reazioni collaterali e degrado.

Il catodo a base di sodio vanadato idrato ha mantenuto prestazioni operative in acqua salata, mostrando una dinamica elettrochimica stabile. Durante il funzionamento:

• Il catodo ha rimosso ioni sodio (Na⁺) dalla soluzione.
• Un elettrodo di grafite ha estratto ioni cloruro (Cl⁻).

Il processo complessivo configura un meccanismo di desalinizzazione elettrochimica, in cui l’accumulo energetico e la rimozione dei sali avvengono simultaneamente.

Desalinizzazione elettrochimica: principio e potenzialità

La desalinizzazione elettrochimica si basa sull’applicazione di una differenza di potenziale che induce il trasferimento selettivo di ioni da una soluzione salina verso elettrodi o compartimenti separati.

Nel sistema studiato, l’inserzione di Na⁺ nel catodo e l’assorbimento di Cl⁻ nell’elettrodo anodico determinano una riduzione della concentrazione salina nell’acqua circostante.

Questo approccio presenta vantaggi teorici rispetto ai metodi convenzionali, come l’osmosi inversa:

• Minore pressione operativa.
• Possibile integrazione con sistemi di accumulo energetico.
• Utilizzo diretto dell’acqua marina come elettrolita.

L’idea di impiegare l’acqua di mare come elettrolita abbondante e sicuro introduce uno scenario in cui la batteria svolge una doppia funzione: stoccaggio di energia e produzione di acqua meno salina.

Implicazioni per lo stoccaggio su larga scala

Le batterie agli ioni di sodio sono particolarmente adatte per applicazioni stazionarie, dove peso e volume hanno un impatto meno critico rispetto ai veicoli elettrici. L’integrazione con impianti fotovoltaici o eolici richiede sistemi affidabili, economicamente sostenibili e scalabili.

Un catodo ad alta capacità e lunga durata, come il sodio vanadato idrato, può contribuire a:

• Ridurre il costo per kWh accumulato.
• Aumentare la durata operativa degli impianti.
• Diminuire la dipendenza da materie prime critiche.

La possibilità di funzionare in ambienti salini amplia ulteriormente le applicazioni, in particolare in aree costiere o in contesti con scarsità di acqua dolce.

Verso alternative più sicure e sostenibili al litio

L’evoluzione delle batterie sodio-ion si inserisce in un quadro più ampio di diversificazione delle tecnologie di accumulo. La riduzione della dipendenza dal litio e da metalli critici rappresenta una priorità industriale e ambientale.

L’approccio adottato dal team della University of Surrey dimostra come la revisione di assunzioni consolidate – in questo caso la rimozione sistematica dell’acqua dai materiali catodici – possa portare a miglioramenti significativi delle prestazioni.

Il sodio vanadato idrato nanostrutturato mostra che la presenza controllata di acqua può trasformarsi da potenziale criticità a risorsa funzionale. La combinazione di elevata capacità, stabilità ciclica e compatibilità con ambienti salini apre prospettive concrete per sistemi energetici integrati, in cui accumulo e gestione delle risorse idriche convergono in un’unica piattaforma tecnologica.