Le batterie: la prossima generazione

Immagina un mondo senza energia portatile. Niente smartphone, niente auto elettriche. Questo è il mondo dal quale M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough e Akira Yoshino ci hanno liberato. Il 9 ottobre 2019, i tre scienziati si sono aggiudicati congiuntamente il Premio Nobel per la Chimica. Il loro lavoro sulle batterie agli ioni di litio ha rivoluzionato il modo in cui immagazziniamo energia. Queste batterie ora alimentano tutto, dai telefoni ai veicoli elettrici. Hanno aperto una nuova era dell’elettronica portatile.

Prima di loro, le batterie erano un disastro. Le batterie al piombo-acido erano pesanti e inefficienti. Le celle al nichel-cadmio avevano “effetti memoria”. Avevamo disperatamente bisogno di una fonte di energia leggera, potente e ricaricabile. Scienziati di tutto il mondo cercavano risposte.

Il litio, il metallo più leggero, sembrava un miracolo. Immagazzina una quantità enorme di energia in rapporto alle sue dimensioni. La vera sfida? Realizzare una batteria al litio stabile, sicura e ricaricabile. Questa ricerca ha richiesto decenni e l’impegno di numerose menti brillanti. Oggi, le batterie agli ioni di litio alimentano quasi tutti i dispositivi portatili. Ma hanno dei limiti. Questi limiti stanno ora spingendo gli scienziati a ideare tipologie di batterie completamente nuove.

La nascita delle batterie agli ioni di litio (e i loro problemi)

Nei primi anni ‘70, M. Stanley Whittingham lavorava presso Exxon. Realizzò la prima batteria agli ioni di litio funzionante. Il suo design utilizzava il disolfuro di titanio per il catodo e il litio metallico per l’anodo. Questo prototipo preannunciava il potenziale di una fonte di energia leggera e ricaricabile. Ma aveva un grosso problema di sicurezza: gli anodi di litio metallico potevano causare cortocircuiti e incendi.

Nel 1980, John B. Goodenough, allora a Oxford, migliorò notevolmente il design. Sostituì il disolfuro di titanio con l’ossido di litio-cobalto. Questo materiale forniva una tensione più elevata e maggiore stabilità. La sua idea aprì la strada a una batteria pratica e potente. Era anche molto più sicura del primo tentativo di Whittingham.

Akira Yoshino, presso Asahi Kasei in Giappone, compié il passo decisivo nel 1985. Utilizzò il coke di petrolio come anodo per la sua batteria agli ioni di litio. Ciò permise di eliminare completamente il pericoloso litio metallico. Il suo design spostava gli ioni di litio tra carbonio e ossido di cobalto. Il risultato? Una batteria stabile e ricaricabile pronta per il mercato. Sony vendette le prime batterie nel 1991.

Nei primi anni '70, M. Stanley Whittingham sviluppò il primo prototipo funzionante di batteria agli ioni di litio presso Exxon, utilizzando un catodo di disolfuro di titanio e un anodo di litio metallico. Questo design pionieristico, sebbene instabile, gettò le basi per tutta l'elettronica portatile moderna. (Illustrazione generata da AI)

Queste scoperte innescarono la rivoluzione dell’elettronica portatile. Laptop, telefoni cellulari e, più tardi, auto elettriche, tutti ne dipendevano. Ma la tecnologia agli ioni di litio raggiunse i suoi limiti. I guadagni energetici divennero minimi. La velocità di ricarica era ancora un problema. Materiali come il cobalto erano costosi e difficili da trovare. Questi problemi spinsero gli scienziati a cercare qualcosa di nuovo.

Batterie a stato solido: più sicure e potenti

Il problema principale delle attuali batterie agli ioni di litio è il loro elettrolita liquido. Questo liquido è infiammabile. Inoltre si degrada, accorciando la durata della batteria. Il liquido limita le possibilità di progettazione, impedendo alle batterie di immagazzinare più energia. I ricercatori si sono resi conto che un materiale solido avrebbe potuto risolvere tutto questo.

Nei primi anni 2010, le batterie a stato solido divennero un’idea concreta. Queste batterie utilizzano un elettrolita solido. Questo materiale solido sposta gli ioni di litio tra l’anodo e il catodo. Ciò elimina la necessità di un separatore liquido infiammabile. Questo le rende molto più sicure. Permette anche di integrare una maggiore quantità di materiale attivo.

Gli elettroliti solidi possono essere a base di ceramiche, polimeri o solfuri. Ciascuno presenta vantaggi e svantaggi. Gli elettroliti ceramici conducono bene gli ioni, ma possono essere fragili. Gli elettroliti polimerici sono flessibili, ma spesso non conducono altretto bene a temperatura ambiente. Gli elettroliti a base di solfuro offrono buone prestazioni, ma sono sensibili all’umidità.

Diverse aziende hanno fatto grandi passi avanti. Nel 2020, la startup californiana QuantumScape ha riportato buoni risultati nei test. Le loro batterie si caricavano velocemente e immagazzinavano molta energia. Anche Toyota ha investito massicciamente nella tecnologia a stato solido. Volevano venderle entro la metà degli anni 2020, secondo Nikkei Asia. Questi progressi potrebbero tradursi in veicoli elettrici più sicuri, a ricarica più rapida e con maggiore autonomia. Ma produrli in massa è ancora difficile.

Oltre il litio: altri tipi di batterie

Una maggiore diffusione delle batterie agli ioni di litio solleva preoccupazioni sull’approvvigionamento. Litio, cobalto e nichel non sono disponibili ovunque. L’estrazione di questi materiali danneggia anche l’ambiente. Quindi, i ricercatori hanno iniziato a esaminare altri tipi di batterie. Volevano materiali più economici e più comuni.

Le batterie agli ioni di sodio sono diventate un’opzione di primo piano. Il sodio è molto più comune del litio. Si trova nell’acqua di mare e nel sale comune. Gli scienziati conoscono il potenziale del sodio da decenni. Ma realizzare elettrodi stabili era difficile. Gli ioni di sodio sono più grandi degli ioni di litio, e ciò rendeva il processo più complesso.

Una cella prototipo di batteria a stato solido, che rappresenta una grande "nuova frontiera" nell'accumulo di energia. Queste batterie sostituiscono gli elettroliti liquidi infiammabili con un materiale solido, promettendo maggiore sicurezza, maggiore densità energetica e ricarica più rapida per i futuri veicoli elettrici ed elettronica portatile. (Fonte: saphiion.com)

I recenti progressi nella scienza dei materiali hanno cambiato tutto. La CATL cinese, il più grande produttore di batterie al mondo, ha fatto grandi progressi. Nel 2021, CATL ha presentato la sua prima batteria agli ioni di sodio. Offriva una buona densità energetica e funzionava bene al freddo. Faradion, un’azienda del Regno Unito, ha anche aperto la strada nella tecnologia agli ioni di sodio. Il loro obiettivo è sviluppare soluzioni economiche e ad alte prestazioni.

Le batterie agli ioni di sodio immagazzinano meno energia rispetto a quelle agli ioni di litio attualmente. Ma sono adatte per l’accumulo di energia nella rete o per veicoli a corto raggio. Sono economiche e comuni, il che le rende attraenti. Funzionano bene per applicazioni in cui il peso non è un fattore critico. Probabilmente affiancheranno, anziché sostituire, le batterie agli ioni di litio in molti settori.

Energia estrema: litio-zolfo e litio-aria

Alcuni ricercatori mirano a sviluppare tipologie di batterie con una densità energetica nettamente superiore. Vogliono superare anche le future celle agli ioni di litio a stato solido. Le batterie al litio-zolfo (Li-S) e al litio-aria (Li-aria) sono due esempi di tali concetti. Queste potrebbero estendere enormemente l’autonomia delle batterie. Immagina di alimentare voli a lungo raggio o camion pesanti.

Le batterie al litio-zolfo utilizzano un anodo di litio metallico e un catodo di zolfo. Lo zolfo è economico e comune. Teoricamente, può contenere cinque volte più energia per unità di peso rispetto agli attuali catodi agli ioni di litio. Questo conferisce alle batterie Li-S un rapporto energia/peso eccezionale. Teoricamente, immagazzinano oltre 2500 Wh/kg.

I problemi includono l‘“effetto shuttle dei polisolfuri”. Questo fenomeno causa la perdita di materiale attivo nella batteria durante i cicli di carica e scarica. Compromette rapidamente le prestazioni della batteria. Ricercatori come Shirley Meng della UC San Diego stanno creando nuovi elettroliti. Stanno anche progettando separatori migliori per contrastare tale effetto. Non li vedremo nei negozi per anni.

Le batterie al litio-aria offrono la più alta densità energetica teorica. Estraggono ossigeno dall’aria per reagire con il litio, formando perossido di litio. Ciò significa che la batteria non deve contenere un ossidante interno. La loro densità energetica teorica è simile a quella della benzina. Ma affrontano enormi ostacoli tecnici. Tra i problemi principali vi sono: una durata limitata dei cicli, una bassa potenza specifica e la degradazione del loro elettrolita. Queste batterie sono principalmente progetti di ricerca. Se questi problemi venissero risolti, potrebbero cambiare tutto.

Produzione e riciclo: chiudere il cerchio

I nuovi tipi di batterie sono solo una parte della risposta. Il modo in cui produciamo e gestiamo le batterie dopo il loro primo ciclo di vita è altrettanto importante. La produzione consuma molta energia e genera rifiuti. Le materie prime provengono spesso da aree sensibili all’attività estrattiva. Ottimizzare questi processi è fondamentale per un futuro sostenibile.

Le batterie al litio-zolfo (Li-S) sono una promettente tecnologia a "energia estrema", teoricamente capace di oltre 2500 Wh/kg grazie al loro leggero catodo di zolfo. I ricercatori stanno attivamente lavorando per superare sfide come l'"effetto shuttle dei polisolfuri" per sbloccare il loro potenziale per applicazioni come i voli a lungo raggio. (Fonte: interestingengineering.com)

La produzione di elettrodi a secco è un approccio nuovo e promettente. Questo metodo elimina i solventi tossici durante la produzione degli elettrodi. I metodi tradizionali utilizzano NMP, che è costoso da smaltire e dannoso per l’ambiente. La tecnica di rivestimento a secco riduce il consumo di energia e la produzione di rifiuti. Tesla ha esaminato questa tecnologia dopo aver acquistato Maxwell Technologies. Anche CATL utilizza il rivestimento a secco in alcune delle sue fabbriche.

Il riciclo delle batterie sta diventando sempre più importante. Milioni di veicoli elettrici giungeranno a fine vita e le loro batterie dovranno essere gestite. Aziende come Redwood Materials, fondata dal co-fondatore di Tesla JB Straubel, sono all’avanguardia. Sviluppano metodi di riciclo efficienti basati sull’uso di liquidi. Questi processi recuperano materiali preziosi come litio, nichel, cobalto e rame. Questi materiali possono poi essere riutilizzati per produrre nuove batterie. Ciò significa meno nuove estrazioni minerarie.

Oltre al riciclo, le applicazioni di seconda vita prolungano la vita utile delle batterie. Le vecchie batterie dei veicoli elettrici possono essere utilizzate per l’accumulo di energia nella rete. La loro capacità ridotta è adeguata per impieghi stazionari. Questo ne aumenta il valore e ritarda il riciclo. Queste idee contribuiscono a creare un’economia più circolare per le batterie. Mitigano le preoccupazioni ambientali lungo l’intero ciclo di vita.

La strada da percorrere: alimentare un futuro più pulito

La corsa per una migliore tecnologia delle batterie si sta intensificando a livello globale. I ricercatori continuano a superare i limiti del possibile. Mirano a maggiore densità energetica, ricarica più rapida e maggiore sicurezza. Si concentrano anche su metodi ecologici e costi inferiori. L’obiettivo: soddisfare l’enorme domanda globale di accumulo di energia pulita.

Le batterie a stato solido sono quasi pronte per il mercato. Quelle agli ioni di sodio stanno entrando in mercati specifici. Le batterie al litio-zolfo e al litio-aria sono ancora progetti rischiosi e a lungo termine. Ciascuna offre vantaggi unici per diverse applicazioni. Il futuro non sarà probabilmente dominato da un unico tipo di batteria. Invece, appariranno molte soluzioni diverse. Questa combinazione soddisferà molte esigenze.

Governi e aziende private stanno stanziando miliardi. Supportano la ricerca, lo sviluppo e l’aumento della produzione di batterie. Questo sforzo globale modellerà la prossima era dell’accumulo di energia. Cambierà tutto, dai nostri telefoni a intere reti elettriche. La caccia alla batteria perfetta continua. Questa ricerca alimenterà un mondo più verde ed elettrico.

Redwood Materials, fondata dal co-fondatore di Tesla JB Straubel, gestisce uno dei più grandi impianti di riciclo di batterie del Nord America. Questa struttura recupera in modo efficiente materiali preziosi come litio, nichel e cobalto dalle batterie esaurite dei veicoli elettrici, riducendo significativamente l'impatto ambientale della produzione di batterie. (Fonte: canarymedia.com)

Domande frequenti

D: Quali sono i principali limiti delle attuali batterie agli ioni di litio? R: Le attuali batterie agli ioni di litio non offrono una capacità energetica illimitata. Sollevano anche preoccupazioni sulla sicurezza a causa del liquido infiammabile al loro interno. Inoltre, dipendono da materiali rari come il cobalto, con conseguenti problemi di approvvigionamento ed etici.

D: In che modo le batterie a stato solido migliorano rispetto a quelle tradizionali agli ioni di litio? R: Le batterie a stato solido sostituiscono l’elettrolita liquido con un materiale solido. Questo le rende molto più sicure eliminando l’infiammabilità. Permette anche di immagazzinare più energia. Quindi, si ottiene più potenza in un formato più piccolo e leggero.

D: Perché le batterie agli ioni di sodio stanno attirando l’attenzione? R: Le batterie agli ioni di sodio utilizzano il sodio, che è comune ed economico rispetto al litio. Questo le rende una scelta più ecologica ed economica. Immagazzinano meno energia rispetto a quelle agli ioni di litio, ma sono adatte per l’accumulo di energia nella rete e altri usi.

D: Perché la produzione di elettrodi a secco è importante? R: La produzione di elettrodi a secco elimina i solventi tossici dalla produzione delle batterie. Questo riduce l’impatto ambientale e il consumo di energia. È un modo più pulito ed efficiente per realizzare i componenti delle batterie.

Le batterie agli ioni di sodio, come questo prototipo, stanno guadagnando terreno come alternativa più ecologica ed economica a quelle agli ioni di litio, utilizzando sodio abbondante e dimostrandosi ideali per soluzioni di accumulo di energia su larga scala, nonostante la loro minore densità energetica. (Fonte: evolving-science.com)

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