Mentre i prezzi delle batterie agli ioni di litio stanno diminuendo di nuovo, l’interesse per lo stoccaggio dell’energia agli ioni di sodio (Na-ioni) non è diminuito. Con l’incremento globale della capacità di produzione di celle in corso, non è chiaro se questa promettente tecnologia possa far pendere l’ago della bilancia sulla domanda e sull’offerta. Lo riferisce Marija Maisch.
Le batterie agli ioni di sodio stanno attraversando un periodo critico di commercializzazione poiché le industrie, dall’automotive allo stoccaggio dell’energia, scommettono molto su questa tecnologia. I produttori di batterie affermati e i nuovi arrivati si stanno adoperando per passare dal laboratorio alla fabbrica con una valida alternativa agli ioni di litio. Con quest’ultimo standard per la mobilità elettrica e lo stoccaggio stazionario, la nuova tecnologia deve offrire vantaggi comprovati. Lo ione sodio sembra ben posizionato, con sicurezza superiore, costi delle materie prime e credenziali ambientali.
I dispositivi agli ioni di sodio non necessitano di materiali critici, poiché fanno affidamento su abbondante sodio invece che sul litio e senza cobalto o nichel. Con l’aumento dei prezzi degli ioni di litio nel 2022, in mezzo alle previsioni di carenza di materiali, gli ioni di sodio sono stati considerati un rivale e l’interesse rimane forte, anche se i prezzi degli ioni di litio hanno iniziato a scendere di nuovo.
“Attualmente stiamo monitorando 335.4 GWh di capacità di produzione di celle agli ioni di sodio fino al 2030, evidenziando che c’è ancora un notevole impegno verso questa tecnologia”, ha affermato Evan Hartley, analista senior di Benchmark Mineral Intelligence.
Nel maggio 2023, il consulente con sede a Londra aveva tracciato 150 GWh fino al 2030.
Più economico
Le celle agli ioni di sodio, prodotte su larga scala, potrebbero essere dal 20% al 30% più economiche rispetto al litio ferro/ferro-fosfato (LFP), la tecnologia dominante delle batterie di accumulo fisse, principalmente grazie all’abbondanza di sodio e ai bassi costi di estrazione e purificazione. Le batterie agli ioni di sodio possono utilizzare l’alluminio per il collettore di corrente anodica invece del rame – utilizzato negli ioni di litio – riducendo ulteriormente i costi e i rischi della catena di approvvigionamento. Tuttavia, tali risparmi sono ancora potenziali.
“Prima che le batterie agli ioni di sodio possano sfidare le esistenti batterie al piombo-acido e al litio-ferro-fosfato, gli operatori del settore dovranno ridurre i costi della tecnologia migliorando le prestazioni tecniche, stabilendo catene di fornitura e realizzando economie di scala”, ha affermato Shazan Siddiqi, analista tecnologico senior presso United IDTechEx, società di ricerche di mercato con sede nel Regno Unito. “Il vantaggio in termini di costi di Na-ion è ottenibile solo quando la scala di produzione raggiunge un livello paragonabile a quello delle celle delle batterie agli ioni di litio. Inoltre, un ulteriore calo dei prezzi del carbonato di litio potrebbe ridurre il vantaggio di prezzo offerto dal sodio”.
È improbabile che gli ioni di sodio sostituiscano gli ioni di litio nelle applicazioni che privilegiano le prestazioni elevate e verranno invece utilizzati per lo stoccaggio stazionario e i veicoli microelettrici. Gli analisti di S&P Global prevedono che gli ioni di litio forniranno l’80% del mercato delle batterie entro il 2030, con il 90% dei dispositivi basati su LFP. Gli ioni di sodio potrebbero rappresentare il 10% del mercato.
Scelte giuste
I ricercatori hanno preso in considerazione gli ioni di sodio dalla metà del XX secolo e i recenti sviluppi includono miglioramenti nella capacità di stoccaggio e nel ciclo di vita del dispositivo, nonché nuovi materiali anodici e catodici. Gli ioni di sodio sono più voluminosi delle controparti di litio, quindi le celle agli ioni di sodio hanno un voltaggio inferiore e una densità di energia gravimetrica e volumetrica inferiore.
La densità di energia gravimetrica degli ioni di sodio è attualmente compresa tra 130 Wh/kg e 160 Wh/kg, ma si prevede che in futuro supererà i 200 Wh/kg, al di sopra del limite teorico per i dispositivi LFP. In termini di densità di potenza, tuttavia, le batterie agli ioni di sodio potrebbero avere 1 kW/kg, superiore a quelle di nichel-manganese-cobalto (NMC) da 340 W/kg a 420 W/kg e di LFP da 175 W/kg a 425 W/kg.
Sebbene la durata di un dispositivo agli ioni di sodio compresa tra 100 e 1,000 cicli sia inferiore a quella dell'LFP, lo sviluppatore indiano KPIT ha riportato una durata di vita con un mantenimento della capacità dell'80% per 6,000 cicli, a seconda della chimica della cella, paragonabile ai dispositivi agli ioni di litio.
"Non esiste ancora un'unica chimica vincente all'interno delle batterie agli ioni di sodio", ha affermato Siddiqi di IDTechEx. “Sono in corso molti sforzi di ricerca e sviluppo per trovare il materiale attivo anodo/catodo perfetto che consenta la scalabilità oltre la fase di laboratorio”.
Riferendosi all’organizzazione scientifica per la sicurezza con sede negli Stati Uniti Underwriter Laboratories, Siddiqi ha aggiunto che “la standardizzazione UL per le celle agli ioni di sodio è, quindi, ancora lontana e questo rende gli OEM [produttori di apparecchiature originali] esitanti nell’impegnarsi in tale tecnologia”.
Il bianco di Prussia, il polianione e l'ossido stratificato sono candidati catodici che presentano materiali più economici rispetto alle controparti agli ioni di litio. Il primo, utilizzato da Northvolt e CATL, è ampiamente disponibile ed economico ma ha una densità di energia volumetrica relativamente bassa. La società Faradion con sede nel Regno Unito utilizza ossido stratificato, che promette una maggiore densità energetica ma è afflitto da un calo di capacità nel tempo. La francese Tiamat utilizza il polianione, che è più stabile ma contiene vanadio tossico.
"La maggior parte dei produttori di celle che pianificano la capacità delle batterie agli ioni di sodio utilizzeranno la tecnologia del catodo a ossido stratificato", ha affermato Hartly di Benchmark. “In effetti, il 71% della pipeline [della cella] è costituito da ossido stratificato. Allo stesso modo, il 90.8% del gasdotto del catodo di ioni di sodio è costituito da ossido stratificato”.
Mentre i catodi rappresentano il principale fattore di costo per le batterie agli ioni di litio, l’anodo è il componente più costoso delle batterie agli ioni di sodio. Il carbonio duro è la scelta standard per gli anodi agli ioni di sodio, ma la capacità di produzione è in ritardo rispetto a quella delle celle agli ioni di sodio, facendo lievitare i prezzi. Recentemente sono stati derivati materiali di carbonio duro da diversi precursori come rifiuti animali, fanghi di depurazione, glucosio, cellulosa, legno, carbone e derivati del petrolio. La grafite sintetica, un comune materiale anodico agli ioni di litio, si basa quasi esclusivamente sugli ultimi due precursori. Con la sua catena di approvvigionamento in via di sviluppo, il carbonio duro è più costoso della grafite e rappresenta uno degli ostacoli principali nella produzione di celle agli ioni di sodio.
Mitigando parzialmente i costi più elevati, le batterie agli ioni di sodio mostrano una migliore tolleranza alla temperatura, in particolare in condizioni sotto zero. Sono più sicuri degli ioni di litio, poiché possono essere scaricati a zero volt, riducendo i rischi durante il trasporto e lo smaltimento. Le batterie agli ioni di litio vengono generalmente conservate con una carica pari a circa il 30%. Lo ione sodio presenta un minor rischio di incendio, poiché i suoi elettroliti hanno un punto di infiammabilità più elevato, la temperatura minima alla quale una sostanza chimica può vaporizzare per formare una miscela infiammabile con l'aria. Poiché entrambe le sostanze chimiche presentano struttura e principi di funzionamento simili, gli ioni di sodio possono spesso essere inseriti nelle linee e nelle apparecchiature di produzione degli ioni di litio.
Infatti, il principale produttore mondiale di batterie CATL sta integrando gli ioni di sodio nella sua infrastruttura e nei suoi prodotti agli ioni di litio. La sua prima batteria agli ioni di sodio, lanciata nel 2021, aveva una densità energetica di 160 Wh/kg, con una promessa futura di 200 Wh/kg. Nel 2023, CATL ha affermato che la casa automobilistica cinese Chery sarà la prima a utilizzare le sue batterie agli ioni di sodio. CATL ha detto rivista pv verso la fine del 2023 ha sviluppato una catena industriale di base per le batterie agli ioni di sodio e ha stabilito la produzione di massa. La scala di produzione e le spedizioni dipenderanno dall'implementazione del progetto del cliente, ha affermato CATL, aggiungendo che è necessario fare di più per il lancio commerciale su larga scala dello ione sodio. "Ci auguriamo che l'intero settore collabori per promuovere lo sviluppo delle batterie agli ioni di sodio", ha affermato il produttore di batterie.
Carica al sodio
Nel gennaio 2024, la più grande casa automobilistica cinese e il secondo fornitore di batterie, BYD, ha dichiarato di aver avviato la costruzione di una fabbrica di batterie agli ioni di sodio da 10 miliardi di yuan (1.4 miliardi di dollari) e 30 GWh all'anno. L’output alimenterà i dispositivi di “micromobilità”. HiNa, nata dall’Accademia cinese delle scienze, nel dicembre 2022 aveva commissionato una linea di produzione di batterie agli ioni di sodio su scala gigawattora e annunciato una gamma di prodotti di batterie agli ioni di Na e un prototipo di auto elettrica.
Il produttore europeo di batterie Northvolt ha presentato le celle delle batterie agli ioni di sodio da 160 Wh/kg nel novembre 2023. Sviluppata con Altris – nata dall'Università di Uppsala, in Svezia – la tecnologia sarà utilizzata nel dispositivo di accumulo di energia di prossima generazione dell'azienda. L'attuale offerta di Northvolt si basa sulla chimica NMC. Al momento del lancio, Wilhelm Löwenhielm, direttore senior dello sviluppo aziendale per i sistemi di accumulo di energia di Northvolt, ha affermato che l’azienda desidera una batteria che sia competitiva con LFP su larga scala. “Nel corso del tempo, si prevede che la tecnologia supererà significativamente la LFP in termini di competitività dei costi”, ha affermato.
Northvolt desidera una batteria “plug-and-play” per un rapido ingresso e espansione sul mercato. “Le attività chiave per portare questa particolare tecnologia sul mercato stanno ampliando la catena di fornitura di materiali per batterie, cosa che Northvolt sta attualmente facendo, insieme ai partner”, ha affermato Löwenhielm.
Anche gli operatori più piccoli stanno facendo la loro parte per portare la tecnologia degli ioni di sodio alla commercializzazione. Faradion, che è stata acquisita dal conglomerato indiano Reliance Industries nel 2021, afferma che ora sta trasferendo alla produzione il design delle sue celle di prossima generazione. "Abbiamo sviluppato una nuova tecnologia e un nuovo ingombro delle celle con una densità di energia superiore del 20% e un aumento della durata del ciclo di un terzo rispetto al design della cella precedente", ha affermato James Quinn, amministratore delegato (CEO) di Faradion.
Le celle di prima generazione dell'azienda hanno dimostrato una densità energetica di 160 Wh/kg. Nel 2022, Quinn ha affermato che il piano di Reliance era quello di costruire una fabbrica di ioni di sodio a due cifre gigawatt in India. Per ora, sembra che questi piani siano ancora in atto. Nell'agosto 2023, il presidente di Reliance Mukesh Ambani ha dichiarato all'assemblea annuale degli azionisti della società che l'azienda è "focalizzata sulla commercializzazione rapida della nostra tecnologia delle batterie agli ioni di sodio... Svilupperemo la nostra leadership tecnologica industrializzando la produzione di celle agli ioni di sodio a livello di megawatt entro 2025 e da allora in poi raggiungeranno rapidamente la scala giga”, ha affermato.
Produzione
La startup Tiamat ha portato avanti il suo progetto di avviare la costruzione di un impianto di produzione da 5 GWh nella regione francese dell'Hauts-de-France. Nel gennaio 2024, ha raccolto 30 milioni di euro (32.4 milioni di dollari) in finanziamenti azionari e di debito e ha dichiarato che prevede di completare il finanziamento del suo progetto industriale nei prossimi mesi, portando il finanziamento totale a circa 150 milioni di euro. L’azienda, uno spin-off del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, produrrà inizialmente celle agli ioni di sodio per utensili elettrici e applicazioni di stoccaggio stazionario nella sua fabbrica, “per soddisfare i primi ordini già ricevuti”. Successivamente mirerà alla produzione su larga scala di prodotti di seconda generazione per applicazioni su veicoli elettrici a batteria.
Anche negli Stati Uniti gli operatori del settore stanno intensificando i propri sforzi di commercializzazione. Nel gennaio 2024, Acculon Energy ha annunciato la produzione in serie dei suoi moduli e pacchi di batterie agli ioni di sodio per applicazioni di mobilità e accumulo di energia stazionario e ha svelato piani per portare la sua produzione a 2 GWh entro la metà del 2024. Nel frattempo, Natron Energy, uno spin-off dell’Università di Stanford, intendeva iniziare la produzione in serie delle sue batterie agli ioni di sodio nel 2023. Il suo obiettivo era quello di produrre 600 MW di celle agli ioni di sodio presso l’impianto di Meadowbrook, nel Michigan, del produttore di batterie Clarios International. Gli aggiornamenti sui progressi sono stati tuttavia limitati.
Finanziamento
Nell'ottobre 2023, Peak Energy è emersa con un finanziamento di 10 milioni di dollari e un team di gestione composto da ex dirigenti di Northvolt, Enovix, Tesla e SunPower. La società ha affermato che inizialmente importerà celle di batterie e che non si prevede che ciò cambierà fino all’inizio del 2028. “Abbiamo bisogno di circa un miliardo di dollari per una fabbrica di gigawatt su piccola scala – pensate a meno di 10 GW”, ha detto il CEO di Peak Energy Landon Mossburg al momento del lancio. . “Quindi il modo più veloce per arrivare sul mercato è costruire un sistema con celle disponibili da terzi, e la Cina è l’unico posto in cui costruire capacità per spedire abbastanza celle”. Alla fine, la società spera di qualificarsi per crediti sui contenuti nazionali ai sensi dell'Inflation Reduction Act degli Stati Uniti.
Alcuni fornitori, come l'indiana KPIT, sono entrati in questo mercato senza alcun piano di produzione. L’azienda di software automobilistico e soluzioni ingegneristiche ha presentato la sua tecnologia per batterie agli ioni di sodio nel dicembre 2023 e ha avviato la ricerca di partner di produzione. Ravi Pandit, presidente di KPIT, ha affermato che la società ha sviluppato molteplici varianti con densità energetica che va da 100 Wh/kg a 170 Wh/kg e potenzialmente raggiungendo 220 Wh/kg.
"Quando abbiamo iniziato a lavorare sulle batterie agli ioni di sodio, l'aspettativa iniziale di densità di energia era piuttosto bassa", ha affermato. “Ma negli ultimi otto anni la densità energetica è aumentata grazie agli sviluppi che noi e altre aziende abbiamo portato avanti”. Altri sono alla ricerca di partenariati di fornitura. L'anno scorso, il gruppo tecnologico finlandese Wärtsilä – uno dei principali integratori mondiali di sistemi di accumulo dell'energia tramite batterie – ha dichiarato che era alla ricerca di potenziali partnership o acquisizioni nel settore. A quel tempo, si stava muovendo verso la sperimentazione della tecnologia nelle sue strutture di ricerca. “Il nostro team resta impegnato a perseguire nuove opportunità in termini di diversificazione delle tecnologie di stoccaggio dell’energia, come l’integrazione di batterie agli ioni di sodio nelle nostre future soluzioni stazionarie di stoccaggio dell’energia”, ha affermato a febbraio Amy Liu, direttrice dello sviluppo di soluzioni strategiche presso Wärtsilä Energy Storage and Optimization. 2024.
Opportunità di NearShoring
Dopo molti annunci di produzione di massa, le batterie agli ioni di sodio sono ora al punto di svolta e l’interesse degli investitori determinerà il destino della tecnologia. L’analisi di mercato di IDTechEx, effettuata nel novembre 2023, suggerisce una crescita prevista di almeno 40 GWh entro il 2030, con ulteriori 100 GWh di capacità produttiva dipendenti dal successo del mercato entro il 2025.
“Queste proiezioni presuppongono un boom imminente nel settore [delle batterie agli ioni di sodio], che dipende dall’impegno commerciale nei prossimi anni”, ha affermato Siddiqi.
Gli ioni di sodio potrebbero offrire ancora un’altra opportunità alle catene di approvvigionamento di energia pulita vicino alla costa, con le materie prime necessarie così facilmente disponibili in tutto il mondo. Sembra però che il treno sia già partito dalla stazione.
"Come per le fasi iniziali del mercato delle batterie agli ioni di litio, il principale collo di bottiglia per l'industria globale sarà il dominio della Cina", ha affermato Hartley di Benchmark. “Nel 2023, il 99.4% della capacità delle celle agli ioni di sodio era basata in Cina e si prevede che questa cifra scenderà al 90.6% solo entro il 2030. Poiché la politica in Europa e Nord America cerca di spostare le catene di approvvigionamento delle batterie agli ioni di litio lontano dalla Cina, a causa alla dipendenza dalla produzione interna, sarà necessario anche uno spostamento nel mercato degli ioni di sodio per creare catene di approvvigionamento localizzate”.
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