Qualche giorno fa è stato assegnato il premio Nobel per la chimica 2019. Il riconoscimento è stato attribuito a John Bannister Goodenough, fisico statunitense, Michael Stanley Whittingham, chimico inglese e Akira Yoshino, chimico giapponese per l’impatto che i loro studi sullo sviluppo e la realizzazione della batteria li-ion hanno avuto sulla società moderna. La Reale Accademia Svedese per le scienze ha assegnato il premio con la motivazione che questi scienziati hanno creato le condizioni per una società senza fili e libera da combustibili fossili.

Batteria li-ion: cosa è e come funziona?

Una batteria è un dispositivo che contiene diverse celle elettrochimiche, arrangiate in serie e parallelo, per garantire tensione e corrente desiderate. La cella elettrochimica converte energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione di ossidoriduzione spontanea. Il trasferimento di elettroni si completa attraverso un circuito esterno.

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Il difficoltoso sviluppo della batteria li-ion e l’impatto che questa scoperta ha avuto, sono valsi il riconoscimento del premio Nobel per la chimica 2019. [Energy Close-up Engineering. Credits: Lithium Process Chemistry Resources, Extraction, Batteries, and Recycling, Elsevier 2015]

Una batteria li-ion è una batteria in cui il catodo è un ossido metallico del litio, l’anodo è fatto di grafite, l’elettrolita è un sale del litio in un solvente organico (miscela di carbonato di etilene e carbonato di dimetile) e il separatore è una membrana polimerica microporosa permeabile al passaggio degli ioni di litio. Alcuni esempi di catodo sono litio cobalto, LCO, in configurazione layered, litio manganese, LMO, in configurazioni cristalline layered o spinel e litio ferro fosfato, LFP, in configurazione cristallina in configurazione cristallina olivine.

Gli ioni di litio, durante la fase di carica, si spostano verso l’anodo e durante la fase di scarica sono indirizzati al catodo. L’elettrodo trattiene e rilascia gli ioni di litio nel processo di “intercalazione ed estrazione”. A causa della reversibilità del processo stesso, il meccanismo prende il simpatico nome di “rocking chair” (sedia a dondolo).

Storia dello sviluppo della batteria li-ion

Whittingham utilizzò per la prima volta il litio come materiale anodico per la batteria cui stava lavorando. Exxon considerò le prestazioni della batteria soddisfacenti a tal punto che subito la mise in produzione . L’utilizzo di litio per l’anodo comporta una serie di problemi e il principale è la formazione di dendriti metalliche che cortocircuitano la batteria. La diretta connessione tra anodo e catodo può essere causa di esplosione della batteria. L’aggiunta di alluminio all’anodo permise di superare questo problema.

È il 1976 e Whittingham mostra al mondo intero la prima batteria al litio ricaricabile. Questa batteria però offre prestazioni non compatibili con il mercato automotive dell’epoca.

Goodenough concentrò i propri studi sul miglioramento del materiale al catodo. La sua scelta fu di passare dal disolfuro di titanio all’ossido di litio e cobalto. Inoltre rese le batterie più sicure producendole scariche e facendole caricare in un secondo momento.

Yoshino infine immagino che il punto cardine per il miglioramento della batteria immaginata da Whittingham e Goodeough fosse l’anodo. Sperimentò diversi materiali e alla fine si convinse che il migliore fosse il coke di petrolio. Così facendo, la batteria li-ion come tutti noi la conosciamo oggi era pronta a cambiare il mondo.

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Il difficoltoso sviluppo delle batterie agli ioni di litio e l’impatto che questa scoperta ha avuto, sono valsi il riconoscimento del premio Nobel per la chimica 2019. [Energy Close-up Engineering. Credits: sciencedaily.com]

What’s next?

Cosa ci riserva il futuro dell’accumulo elettrochimico di energia? Batterie ai polimeri di litio, batterie litio-aria, batterie al grafene, batterie ceramiche, batterie al vetro e chi più ne ha, più ne metta. Noi però, almeno per oggi, celebriamo questa rivoluzionaria scoperta.