Le batterie al sodio stanno facendo parlare di sé come non mai. Un gruppo di ricercatori ha messo sotto la lente una cella prodotta dal costruttore cinese Hina, scoprendo qualcosa di piuttosto sorprendente: la qualità costruttiva e le prestazioni di questa batteria sono paragonabili a quelle delle batterie al litio utilizzate da Tesla. Lo studio, pubblicato sulla rivista Cell Reports Physical Science edita da Cell Press, apre scenari concreti per un futuro in cui il sodio potrebbe diventare un’alternativa più economica e sostenibile al litio, soprattutto nel mondo dei veicoli elettrici e dello stoccaggio energetico su larga scala.

Il team guidato da Moritz Schütte, ricercatore presso la RWTH Aachen University in Germania, ha analizzato 120 celle al sodio utilizzando la spettroscopia di impedenza, un metodo non distruttivo che permette di valutare l’uniformità delle batterie. Poi le hanno testate in condizioni operative reali, con correnti diverse e temperature che andavano dai meno 20 ai 45 gradi. Non si sono fermati lì: hanno usato raggi X per ispezionare l’interno delle celle e infine le hanno smontate per studiare dimensioni degli elettrodi, composizione dei materiali e struttura microscopica.

Una delle scoperte più interessanti riguarda il design interno. La batteria Hina adotta un collettore di corrente in doppio alluminio senza linguette, una configurazione che riduce la resistenza elettrica e garantisce una distribuzione termica più omogenea. Schütte e colleghi hanno notato che questa architettura ricorda molto da vicino quella impiegata nelle batterie Tesla. “Siamo rimasti positivamente sorpresi dall’uniformità delle celle”, ha commentato il ricercatore.

Punti di forza e limiti ancora da superare

Non è tutto rose e fiori, ovviamente. Le batterie al sodio mostrano ancora alcune debolezze rispetto alle migliori tecnologie al litio. La ricarica a basse temperature resta un problema serio: chi deve caricare spesso la batteria in ambienti freddi avrà bisogno di strategie di gestione termica adeguate. Anche la densità energetica è inferiore rispetto alle celle al litio più avanzate, il che si traduce in un’autonomia minore per i veicoli elettrici.

Un altro dato curioso emerso dallo studio riguarda concentrazioni insolitamente alte di rame in alcune zone del catodo, distribuite in modo non uniforme. Secondo Schütte, questo dettaglio “solleva domande interessanti sul ruolo del rame nelle prestazioni e nell’invecchiamento della batteria”.

Perché il sodio potrebbe cambiare le regole del gioco

Il vantaggio strategico del sodio sta nella sua abbondanza. A differenza del litio, il sodio è disponibile praticamente ovunque nel mondo, il che potrebbe abbattere i costi delle materie prime e ridurre i rischi legati alle catene di approvvigionamento. Per applicazioni come lo stoccaggio stazionario di energia, i veicoli commerciali o quelli a corto raggio, dove il costo conta più dell’autonomia massima, le batterie al sodio rappresentano già oggi un’opzione credibile.

Il gruppo di ricerca ha già in programma i prossimi passi: migliorare le prestazioni di ricarica sotto zero gradi e ottimizzare i materiali utilizzati. “I progressi negli anodi in carbonio duro e nelle formulazioni degli elettroliti potrebbero essere particolarmente promettenti”, ha aggiunto Schütte. Se la tecnologia continuerà a evolversi a questo ritmo, le batterie al sodio potrebbero passare dalla curiosità scientifica a una realtà industriale nel giro di pochi anni. E a quel punto, le carte in tavola nel settore energetico potrebbero cambiare davvero.

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Esiste una forma di superconduttività che si comporta in modo così bizzarro da essersi guadagnata il soprannome di “fase Lazzaro”. Sparisce, come ci si aspetterebbe, sotto l’effetto di campi magnetici potenti. E fin qui, tutto normale. Ma poi, quando il campo magnetico diventa ancora più forte, quella stessa superconduttività torna in vita. Come se nulla fosse successo. Questo fenomeno è stato osservato nell’uranio ditelluride (UTe2), un materiale che sta mettendo in crisi parecchie certezze della fisica dei materiali.

La scoperta, guidata in parte dal fisico Andriy Nevidomskyy della Rice University, è stata pubblicata sulla rivista Science e racconta qualcosa che, a prima vista, non dovrebbe esistere. In condizioni normali, i campi magnetici sono il nemico giurato dei superconduttori. Anche campi relativamente modesti tendono a indebolire la superconduttività, e quelli più intensi la eliminano del tutto oltre una certa soglia critica. L’uranio ditelluride, però, se ne infischia di questa regola. Già nel 2019 si era scoperto che poteva restare superconduttore in campi magnetici centinaia di volte più forti rispetto a quelli tollerati dai materiali convenzionali. Ma la vera sorpresa è arrivata dopo.

La fase Lazzaro e quell’alone a forma di ciambella

Quello che hanno osservato i ricercatori dell’Università del Maryland e del National Institute of Standards and Technology è qualcosa di davvero controintuitivo. Nell’UTe2, la superconduttività scompare sotto i 10 Tesla, che è già un campo magnetico enorme. Poi, sopra i 40 Tesla, ricompare. Nevidomskyy ha ammesso di essere rimasto sbalordito vedendo i dati sperimentali per la prima volta. La superconduttività ad alto campo sembrava limitata a una direzione molto stretta rispetto al cristallo, senza una spiegazione immediata.

Le misurazioni successive hanno rivelato che la regione superconduttiva assume una forma toroidale, una specie di ciambella tridimensionale che avvolge un asse specifico della struttura cristallina. Un risultato definito “sorprendente e bellissimo” da Sylvia Lewin del NIST, tra le autrici principali dello studio. Per dare un senso a tutto questo, Nevidomskyy ha costruito un modello teorico fenomenologico che si concentra sul comportamento complessivo piuttosto che sui meccanismi microscopici esatti. E i risultati combaciano in modo convincente con i dati sperimentali.

Come magnetismo e superconduttività riescono a convivere

Un aspetto particolarmente affascinante riguarda le coppie di Cooper, le coppie di elettroni responsabili della superconduttività. In questo materiale, si comportano come se possedessero un momento angolare, simile a quello di un oggetto in rotazione. Quando il campo magnetico interagisce con questo moto, produce un effetto direzionale che genera proprio quell’alone osservato sperimentalmente.

C’è poi la questione della cosiddetta transizione metamagnetica, un aumento improvviso della magnetizzazione del campione. La superconduttività ad alto campo appare solo dopo che il campo raggiunge questo valore soglia, che a sua volta dipende fortemente dall’angolo. Gli scienziati stanno ancora discutendo su cosa provochi esattamente questa transizione e su come influenzi il ritorno della superconduttività.

Sapere che le coppie di Cooper nell’uranio ditelluride portano con sé un momento magnetico è, secondo Nevidomskyy, uno dei risultati chiave dello studio. Un punto di partenza solido per le indagini future su un materiale che continua a sorprendere. La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation, con il coinvolgimento di team del NIST, dell’Università del Maryland e del Los Alamos National Laboratory.

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