Batterie al sale: come funzionano, pro e contro e quali sono le principali applicazioni

In commercio esistono moltissime tecnologie per stoccare energia ma, tra tutte, quella più discussa è probabilmente la batteria al sale. Per dirla in termini più tecnici si tratta di batterie ai sali fusi che accumulano energia sotto forma di calore – si parla quindi di batterie termiche. All'interno di questa famiglia di dispositivi quelle che hanno attirato più attenzione sono quelle che contengono nichel e cloruro di sodio, cioè il comunissimo "sale da cucina". Cerchiamo di capire assieme come sono fatte queste batterie, come funzionano e quali sono i pro e i contro di questa tecnologia alternativa al litio.

Come sono fatte le batterie al sale?

Conosciute anche come ZEBRA, dal progetto iniziale chiamato "ZEolite Battery Reasearch Africa", le batterie al sale sono costituite da diversi componenti. Nello stato carico ogni cella è costituita da un elettrodo negativo di sodio liquido (anodo) e un elettrodo positivo solido di nichel e cloruro di nichel (catodo). Un tubo ceramico separa i due elettrodi, chiamato elettrolita ceramico beta-alluminato [β-Al₂O₃]. Per garantire il contatto tra l'elettrodo positivo solido e l'elettrolita ceramico viene utilizzato un elettrolita secondario fuso, chiamato tetracloroalluminato (NaAlCl4) vicino all'elettrodo positivo.
Le batterie ai sali fusi, e in particolare quelle al sale da cucina, lavorano ad alte temperature per fondere un elemento di cui sono composte. Nel caso di batterie al sale si deve superare la temperatura di fusione del sodio (97.8ºC). Inoltre, l'elettrolita ceramico diventa una membrana solida ma conduttrice per il passaggio di ioni [Na⁺] sopra i 300°C . Di conseguenza, queste batterie lavorano a circa 270-350°C.

Come funzionano le batterie al sale?

Durante la fase di carica della batteria, il sale [NaCl] viene diviso in sodio [Na] e nichel [Ni]. Quest' ultimo si lega al cloro formando cloruro di nichel [NiCl₂]. Al raggiungimento della carica completa, quando tutto il sale è stato consumato, vi è un meccanismo di protezione che permette di interrompere il passaggio di corrente.

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Cosa sono e come funzionano le batterie di flusso

Durante la scarica, ovvero durante l’utilizzo della batteria, si verifica la reazione inversa, per rilasciare energia. Il sodio viene ionizzato in ioni [Na⁺] formando di nuovo sale, mentre il cloruro di nichel viene ridotto a nichel metallico [Ni]. La reazione chimica viene così espressa:

2Na + NiCl₂ = 2NaCl + Ni

Durante la fase di scarica la reazione va letta da sinistra verso destra, mentre durante la fase di carica da destra verso sinistra. Il sale da cucina è dunque un reagente durante la fase di carica della batteria, mentre diventa un prodotto di reazione nella fase di scarica.

Pro e contro delle batterie al sale

Vediamo brevemente quali sono i principali vantaggi e svantaggi di questa tecnologia.

Vantaggi

Nonostante non siano ancora molto diffuse, le batterie al sale hanno molti vantaggi. In particolare, non sono tossiche per l'uomo, sono riciclabili e non hanno il rischio di incendio. Hanno una lunga durata (prevista sui vent'anni) e non hanno bisogno di manutenzione. Il loro funzionamento è garantito anche a basse temperature ambientali, grazie ad un buon isolamento termico che isola il corpo caldo della batteria dall'esterno e la loro efficienza non cala con l'utilizzo (quindi non soffrono del cosiddetto effetto memoria). Per quale motivo? Semplice: queste batterie sono insensibili alle variazioni di temperatura dell'ambiente proprio perché operano a temperatura costante ed elevata, utilizzando una parte dell'energia per riscaldarsi.

Svantaggi

D'altra parte, questo tipo di batteria ha alcune limitazioni. Ad esempio, dopo essere stata completamente scaricata, la batteria inizia a raffreddarsi e raggiunge la temperatura ambiente in circa 200 ore. Una volta scaricata e raffreddata, ha bisogno di 10-12 ore per arrivare alla temperatura interna operativa (i famosi 270-350°C di cui parlavamo in precedenza), prima di poter cominciare di nuovo il processo di carica. Insomma, questo tipo di batteria non è funzionale per ricariche veloci o utilizzi irregolari: se non si utilizza quotidianamente o con un certa regolarità, si scarica da sola e necessita di tempi lunghi per ritornare operativa.

Perché non sono diffuse come le batterie al litio?

Rispetto alle batterie al litio, ad esempio, non contengono materiali pericolosi o di scarsa reperibilità, e potrebbero essere utilizzate per alcune applicazioni quotidiane e ripetitive. Al giorno d'oggi le batterie al sale vengono utilizzate per alcune applicazioni legate alla mobilità elettrica e all'accumulo da fonti rinnovabili intermittenti. In quest'ultimo caso, le dimensioni delle batterie al sale sono paragonabili con quelle delle batterie al litio: parliamo infatti di 5-10 kWh in una "scatola" da 50 cm x 56 cm x 32 cm.
Dal punto di vista della produzione e della vendita, però, il costo è ancora superiore e manca l'infrastruttura che le concorrenti al litio hanno. Inoltre, le batterie al sale non sono adatte per l'accumulo saltuario o per applicazioni di piccola taglia, come per telefoni e smartphone.

Al momento comunque esistono varie imprese e start-up che producono questo tipo di batterie per la mobilità e l'accumulo da fonti rinnovabili. Qualche esempio? La cinese CATL, la ticinese FZSoNick e l'italiana AMG Italian Energy Sotrage.

Esistono prodotti con le batterie al sale?

Vediamo adesso a che punto siamo con l'utilizzo di queste particolari batterie.
Nell'ultimo decennio sono nati molti progetti per la produzione, la gestione e l'utilizzo di energia autoprodotta da fonti rinnovabili. Alcuni di questi sfruttano le batterie al sale, come ad esempio il bivacco Gervasutti sul Monte Bianco, con un impianto di accumulo da 7.8 kWh. Altre applicazioni simili riguardano moduli abitativi fino a 19 kWh.