“They created a rechargeable world”. Così recita il titolo della press release del Premio Nobel per la chimica 2019 assegnato a Stanley Whittingham, John Goodenough e Akira Yoshino. Ed è vero: un mondo di dispositivi ricaricabili proprio grazie alle batterie al litio. Smartphone, computer, dispositivi medici, auto elettriche e perfino satelliti sono solo alcune delle tecnologie che oggi funzionano proprio grazie alle batterie al litio, la batteria al momento più diffusa e utilizzata al mondo. Si tratta di una batteria molto versatile, con possibili design e dimensioni facilmente adattabili alle più diverse applicazioni. Però attualmente la ricerca in questo settore sta parlando di “beyond lithium batteries”, cioè di “oltre le batterie al litio”. Come mai e cosa significa questo? Abbiamo approfondito l’argomento partendo dall’articolo Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision pubblicato su Nature Communications e parlando con il professor Vito di Noto dell’Università di Padova.
Al di là di tutti i vantaggi, gli svantaggi, per le batterie al litio, non mancano: costi elevati, un voltaggio massimo raggiunto limitato e una durabilità che può essere migliorata. A questo si aggiunge un’attenzione sempre maggiore all’impatto ambientale che i processi richiesti per la produzione di questo tipo di batterie hanno. Gray e Hall, gli autori della pubblicazione su Nature Communications, in questo senso sottolineano quanto sia infatti importante cercare di eliminare il più possibile le emissioni di carbonio e partire da risorse minerarie facilmente reperibili e poco inquinanti nei processi richiesti per l’estrazione, l’utilizzo e lo smaltimento delle risorse stesse, anche nel rispetto degli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile promossa dall’ONU. Gray e Hall mettono comunque l’accento su un fattore importante: dire che siamo “alla fine dell’era delle batterie al litio” non è corretto. Siamo nell’epoca del “beyond lithium batteries” e cosa questo significhi l’abbiamo approfondito con il professor Di Noto.
“Innanzi tutto quelle che noi usiamo oggi – afferma Di Noto – sono batterie agli ioni litio, diverse dalle batterie cosiddette, a volte confondendole con quelle agli ioni litio, ‘al litio’, perché queste ultime usano litio metallico a differenza delle prime che usano invece composti di litio.” Si tratta di dispositivi sviluppati, come prototipo, negli anni ’70, da Stanley Whittingham per poi proseguire con il dispositivo di John Goodenough, fino ad arrivare al primo prototipo commerciale sviluppato da Akira Yoshino nel 1985. E i tre scienziati hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica nel 2019, proprio per lo sviluppo delle batterie al litio.
Questi dispositivi consistono in un sistema di due elettrodi, uno negativo (l’anodo) e uno positivo (il catodo), tra i quali si trovano un elettrolita (un liquido) e una barriera. Il catodo è generalmente un composto di litio che rilascia ioni litio che andranno a inserirsi tra gli strati di grafite di cui è fatto l’anodo, quello delle batterie che usiamo ogni giorno, ad esempio, per lo smartphone, e così la batteria si carica. Ogni volta che uno ione litio va a inserirsi tra gli strati di materiale, viene “espulso” un elettrone, cosicché tra anodo e catodo c’è il passaggio di un flusso di elettroni. I flussi di elettroni e di ioni litio cessano quando la batteria è scarica e vengono ripristinati quando la batteria viene ricaricata.
Video in cui viene spiegato il principio di funzionamento di una tipologia di batterie agli ioni litio ( (c) NASA)
“Se noi guardiamo per unità di massa quanto produciamo – continua Di Noto – abbiamo delle capacità molto limitate”. Ed ecco il primo motivo per cui si parla di “beyond lithium batteries”.
“Andare oltre le batterie al litio prevede una strategia duplice. – afferma Di Noto – La ricerca a livello mondiale da un lato si sta muovendo verso il migliorare le batterie al litio, e dall’altro verso il sostituire il litio con altri materiali”.
D’altra parte “le batterie sono dei convertitori di energia perché trasformano il materiale che c’è all’anodo o al catodo con delle reazioni di ossido-riduzione, convertendolo in energia” spiega il professor Di Noto, che aggiunge anche come questa sia l’unica strada: per convertire energia va trasformato il materiale.
Con le batterie agli ioni litio attuali si raggiungono i 160 mAh/grammo contro i 3800 mAh/grammo che si avrebbero con il litio metallico. Però non è possibile usare il litio metallico perché non è un materiale stabile, è troppo reattivo. “Se poi andiamo a guardare nel dettaglio la capacità delle batterie agli ioni litio più diffuse, troviamo un voltaggio massimo raggiunto di 3 V quando il catodo è un litio-cobaltato, o 3,6 V massimo quando il catodo è un litio-ferro fosfato. Ma oltre al fatto che il cobalto costa molto e alza anche i costi ambientali, e per questo lo si cerca di evitare il più possibile, si vorrebbe arrivare a voltaggi di 5 V.” Voltaggi di questo livello, però, danneggiano gli elettroliti liquidi usati di solito che cominciano a degradarsi per voltaggi superiori a 4 V.
“Ecco che, si cerca di usare all’anodo litio metallico, ma con alcune accortezze: sviluppando catodi per differenze di potenziale elevate, sviluppare elettroliti stabili, come quelli di stato solido, o performanti con finestre di potenziali più alte. O ancora si cerca di sostituire completamente il cobalto con elementi, ad esempio, di transizione, come possono essere il ferro o il nichel.”
Per quanto riguarda invece la sostituzione del litio con materiali alternativi, i candidati attualmente migliori sembrano essere il magnesio e il sodio.
“Il magnesio ha una chimica molto complicata anche se è molto diffuso – racconta il professor Di Noto – e il sodio, oltre a costare poco, è molto diffuso, anche se già sappiamo che la sua capacità non sarà la stessa di quella del litio”.
Al momento è difficile stabilire quali saranno le future strade che prenderà la ricerca “beyond lithium batteries”, però quello che è certo è che c’è molta attività nella ricerca in questo settore, a livello europeo ma anche mondiale. “Trovare una nuova strategia per realizzare batterie con performance paragonabili o di molto superiori a quelle agli ioni litio non è scontato – afferma il professor Di Noto - ma quello che si cercherà di guardare è ottenere batterie che abbiano costi ridotti per la capacità che utilizziamo e di cui abbiamo bisogno, e che utilizzino materiali facilmente reperibili per migliorare il costo ambientale che il settore delle batterie oggi ha.”
