La nascita dell’energia senza fili
Fare una telefonata seduti su una panchina al parco, controllare la mail sul nostro portatile mentre viaggiamo in treno, girare un video mentre camminiamo per strada: questi gesti, che ormai fanno parte della nostra vita di tutti i giorni, erano impensabili fino a qualche decina di anni fa. Le prime batterie agli ioni litio hanno fatto la loro comparsa sul mercato nel 1991 e da allora hanno letteralmente rivoluzionato le nostre vite permettendo lo sviluppo di tecnologie wireless, di veicoli elettrici e di sistemi basati su fonti di energia sostenibile.I contributi di Whittingham, Goodenough e Yoshino
I primi studi sulle batterie al litio risalgono agli anni Settanta, periodo segnato da una grave crisi energetica per il brusco aumento del prezzo del greggio. In quel periodo Stanley Whittingham, impegnato nello sviluppo di tecnologie indipendenti dai combustibili fossili, sviluppò una batteria dotata di un anodo di litio metallico e di un catodo a disolfuro di titanio, un materiale che poteva ospitare nei suoi interstizi ioni litio. Era nato così il primo prototipo di una batteria al litio, di cui divenne subito evidente l’enorme potenziale: il litio è infatti un metallo molto leggero, ideale per la costruzione di batterie dotate di una elevata densità energetica. Il modello di batteria sviluppato da Whittingham non era però adatto ad applicazioni su larga scala, a causa dei problemi di sicurezza legati all'alta reattività del litio.Il passo successivo verso lo sviluppo di batterie al litio ancora più sicure e potenti si deve a John Goodenough, il quale negli anni Ottanta dimostrò che l’ossido di cobalto intercalato con ioni litio costituiva un catodo molto efficiente, in grado di sviluppare fino a 4 volt. Il merito di aver creato la prima batteria al litio da immettere sul mercato va però al giapponese Akira Yoshino: a partire da modello di John Goodenough, Yoshino sviluppò una pila il cui anodo non era costituito da litio metallico ma da una matrice di grafite, un materiale che, proprio come l’ossido di cobalto, può contenere ioni litio intercalati tra le sue “maglie”. Nacque così una pila straordinariamente leggera e resistente, che poteva essere ricaricata per centinaia di volte prima di deteriorarsi.The 2019 #NobelPrize in Chemistry has been awarded to John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino “for the development of lithium-ion batteries.” pic.twitter.com/LUKTeFhUbg
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 9, 2019
La batteria di Akira Yoshino (Immagine: nobelprize.org).
Rispetto alle batterie tradizionali, le batterie agli ioni litio non sono basate su reazioni chimiche che portano al progressivo deterioramento ed esaurimento degli elettrodi. Il loro funzionamento si basa infatti sul flusso di ioni litio che viaggiano avanti e indietro tra l’anodo e il catodo in un processo reversibile che rende possibile il ripetersi di numerosi cicli di scarica e ricarica della batteria.
Batterie al litio: il problema della sostenibilità
L’introduzione di batterie al litio non ha solo permesso lo sviluppo di tecnologie wireless, ma ha anche dato nuova linfa alla gestione e allo sfruttamento di fonti energetiche sostenibili, in grado diminuire la dipendenza dai combustibili fossili. Per esempio, è grazie alle batterie al litio che i sistemi fotovoltaici possono accumulare energia elettrica durante il giorno per permetterci di usarla nelle ore notturne. Assegnare il Premio Nobel alle batterie ricaricabili al litio può quindi essere visto come un chiaro segnale della necessità di sensibilizzare al tema della sostenibilità energetica e, più in generale, dei cambiamenti climatici. Tuttavia, lo sviluppo di dispositivi portatili e di energie sostenibili non può prescindere dal problema della reperibilità dei materiali usati per queste tecnologie; la disponibilità del litio, per esempio, è limitata solo ad alcune aree del Pianeta, come per esempio il Sud America.
Su Aula di Scienze sono disponibili alcuni approfondimenti sul tema: qui potete trovare la tavola periodica con la disponibilità relativa degli elementi sulla Terra, e qui un approfondimento sugli elementi indispensabili per la tecnologia.
Inoltre, ad oggi il litio compare già tra gli elementi a rischio reperibilità per il futuro. La sua mancata disponibilità potrebbe presto diventare uno dei problemi economici e sociali più pressanti. Con la diffusione su larga scala di veicoli elettrici e altri strumenti tecnologici, sarà indispensabile pensare a materiali e strategie alternative. Le batterie al litio hanno appena ricevuto un meritato riconoscimento per il ruolo fondamentale che hanno avuto, ma nell’ottica di una politica energetica sostenibile servirá probabilmente trovare alternative migliori dal punto di vista socio-economico e ambientale.
Sul sito della Nobel Foundation si può trovare il comunicato stampa dell’annuncio del premio su cui si basa questo articolo e anche sui testi di approfondimento che si possono trovare qui (in inglese).
