LE BATTERIE A IONI LITIO: UN PREMIO NOBEL PER IL FUTURO

L’Accademia Reale Svedese di Scienze ha assegnato il premio Nobel in Chimica del 2019, in parti uguali, a tre scienziati:

John Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino

con la seguente motivazione:

per lo sviluppo delle batterie a ioni litio.

A prima vista, e per una persona non particolarmente addentro a questo settore scientifico, può apparire sorprendente l’attribuzione del Nobel per una batteria, un dispositivo che sfrutta l’energia di una reazione chimica di ossidoriduzione per generare una corrente elettrica (un flusso di elettroni) in un circuito esterno, cioè per un dispositivo messo a punto per la prima volta nel lontano 1800 da Alessandro Volta. È vero che la batteria di Volta non era ricaricabile, come lo è invece la batteria a ioni litio, ma una batteria ricaricabile era comunque già stata messa a punto nel 1860 da G. Planté.

La reale portata di questo premio Nobel, il significato scientifico da un lato e le più generali implicazioni economiche, sociali e ambientali dall’altro, emerge ripercorrendo la storia e le motivazioni alla base delle ricerche di base e applicate dei tre scienziati insigniti del premio. Possiamo inizialmente notare che, anche se Goodenough, Whittingham e Yoshino sono stati leader e protagonisti assoluti di queste ricerche, moltissimi altri ricercatori in tutto il mondo hanno contribuito allo sviluppo e perfezionamento delle batterie a ioni litio, in una realtà della scienza moderna in cui la ricerca è sempre una grande impresa collettiva.

Il litio, scoperto nel 1817 in un minerale e isolato per la prima volta nel 1823, è il terzo elemento della tavola periodica, l’elemento più leggero, con una densità di 0,53, e caratterizzato dalla facilità con cui perde il suo elettrone esterno per dare uno ione litio Li+. Il litio è estremamente reattivo e a contatto con aria o acqua può infiammarsi o dare luogo a esplosioni. Una batteria a litio è stata studiata per la prima volta da Gilbert N. Lewis nel 1902 ma la cosa non aveva avuto seguito a causa della reattività del litio, incontrollabile a quei tempi. Il problema preliminare era di “domare” in qualche modo il litio. L’interesse nelle batterie a litio si sviluppa negli anni 1970 a seguito della grande crisi petrolifera che crea il bisogno di metodi alternativi di immagazzinamento dell’energia nel timore che le fonti di energia fossile non siano inesauribili. In questo scenario la EXXON decide di diversificare la sua ricerca fondamentale e ingaggia un gruppo di scienziati esperti in campo energetico e tra questi M. Stanley Whittingham. Whittingham riesce a costruire una batteria in cui l’anodo è costituito da litio metallico e il catodo da solfuro di titanio capace di ospitare per intercalazione ioni litio. La batteria è ricaricabile e costituisce un successo notevole perché genera un potenziale di 2 V. Tuttavia, ci sono problemi pratici che sembrano insormontabili perché la reattività del litio produce esplosioni e incendi. L’interesse in queste ricerche sembra attenuarsi con la fine della crisi petrolifera ma la ricerca riprende ad opera di John Goodenough. In un suo articolo Goodenough così precisa le sue motivazioni: dobbiamo trovare un modo per emanciparci dalla dipendenza dai combustibili fossili. Egli modifica la batteria di Whittingham sostituendo nel catodo il solfuro di titanio con l’ossido di cobalto, un materiale molto più energetico, ottenendo un voltaggio di 4V. Questo è molto promettente ma ci sono ancora problemi pratici dovuti all’anodo di litio che produce delle dendriti, dei prolungamenti filamentosi, che estendendosi filo al catodo cortocircuitano la batteria. Quasi prendendo il testimone da Wittingham e Goodenough, Akira Yoshino giunge alla soluzione del problema sostituendo il catodo con coke di petrolio, un sottoprodotto della lavorazione del petrolio, un materiale poroso capace di ospitare il litio o i suoi ioni senza deformazione significativa della struttura. Si ha così una batteria sicura, ricaricabile senza alterazioni per centinaia di volte. Le motivazioni di Yoshino però derivavano primariamente dalla necessità della industria elettronica di disporre di batterie leggere e ricaricabili per alimentare dispositivi elettronici innovativi come telefoni cellulari, macchine fotografiche, computer portatili, utensili elettrici.

In conclusione, le batterie a ioni litio sono straordinarie per la loro semplicità di funzionamento che prevede nelle fasi di carica e scarica un flusso di ioni litio tra un elettrodo e l’altro senza l’intervento di reazioni chimiche capaci di deteriorare gli elettrodi, come accade in molte altre batterie. Questo è anche fondamentale per garantire la possibilità di ricaricare la batteria centinaia di volte. L’avvento delle batterie a ioni litio è stato salutato come una rivoluzione verso un mondo “senza fili” cioè verso la possibilità di usare i dispositivi elettronici portatili menzionati sopra che hanno profondamente cambiato le nostre abitudini di vita (modo di comunicare, di lavorare, studiare, ascoltare musica e cercare informazioni). Dall’altro lato la rivoluzione indotta dalle batterie a ioni litio è stata definita come una rivoluzione ecologica, come una prospettiva di un futuro in cui utilizzandole per le auto elettriche potremo cominciare ad affrancarci dall’uso del petrolio, sfruttando l’accumulo di energia da fonti fluttuanti (l’energia solare ed eolica).

Lascia un commento