Il premio Nobel per la chimica 2019 è stato assegnato agli inventori della batteria agli ioni litio: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino. Goodenough, nato a Jena nel 1922, è oggi il più anziano scienziato, 97 anni, a ricevere l'onorificenza dall'Accademia reale svedese delle scienze.

Alfred Nobel, ideando il premio, stabilì che le scoperte sarebbero dovute essere premiate per il grande beneficio che avrebbero apportato all'umanità. “E il beneficio qui è ovvio” ha dichiarato il Segretario generale del''Accademia Göran K. Hansson: grazie a questa innovazione tecnologica vivremo in un “mondo ricaricabile”, ha detto, e dunque più sostenibile. La lotta alla crisi climatica passa infatti anche per la diffusione di queste tecnologie, che contribuiranno a raggiungere l'obiettivo delle zero emissioni, fissato al 2050.

Le batterie agli ioni litio hanno già fatto sentire il loro impatto sulla nostra società perché hanno reso possibile la rivoluzione mobile. Tutti i device tecnologici portatili, non solo smartphone, ma anche computer e telecamere, montano batterie al litio, che saranno protagoniste anche della transizione energetica del settore dei trasporti. I veicoli alimentati a carburanti derivanti dalla lavorazione del petrolio andranno progressivamente sostituiti con tecnologie energetiche più sostenibili, e le batterie al litio si prestano ad essere utilizzate, già iniziano ad esserlo, sia nel trasporto privato (auto e bicicletta) che nel trasporto pubblico (autobus, treni). Ma sono fondamentali anche per l'accumulo di energia, come quella proveniente da fonti rinnovabili, come il solare e l'eolico, per loro stessa natura discontinue nel corso delle 24 ore. Le batterie al litio possono fare da complemento per rendere l'energia "pulita" più fruibile.

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

Il litio è un elemento che si incontra presto nella tavola periodica. Ha un numero atomico molto piccolo, 3 soli protoni, il che lo rende il metallo più leggero che abbiamo, tanto che galleggia in acqua. Proprio a contatto con l'acqua tende a cedere molto facilmente i suoi elettroni, dando vita a ioni litio, carichi cioè positivamente. Si dice dunque che è un metallo estremamente reattivo, ma proprio questa sua reattività andava addomesticata.

Le fondamenta dell'invenzione dalla batteria agli ioni litio sono state gettate negli anni '70 durante la crisi petrolifera: M. Stanley Whittingham, nato nel 1941 nel Regno Unito, dottorato a Oxford nel 1968 e professore alla Binghamton University, State University di New York, stava lavorando in quegli anni allo sviluppo di tecnologie energetiche alternative al carbonfossile. Scoprì che un materiale, il disolfuro di titanio, usato come polo positivo di una batteria (catodo), grazie alla sua struttura lamellare, riusciva a far passare ioni litio (in una reazione nota come intercalazione). Al polo negativo (anodo) vi era litio metallico, in grado di rilasciare una buona quantità di elettroni. La batteria aveva ottime prestazioni: 2 Volt (le pile alcaline in commercio raggiungono 1,5 V).

In the early 1970s, Stanley Whittingham, awarded this year’s Chemistry Prize, used lithium’s enormous drive to release its outer electron when he developed the first functional lithium battery.#NobelPrize pic.twitter.com/lRD2zBNm4T

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Negli anni '80, John Goodenough, dottorato nel 1952 all'università di Chicago e poi Professore all'università del Texas, Austin, comprese che l'utilizzo di un altro elemento al polo positivo avrebbe migliorato la batteria. L'ossido di cobalto era in grado di compiere l'intercalazione degli ioni litio raggiungendo i 4 Volt.

2019 Chemistry Laureate John Goodenough doubled the lithium battery’s potential, creating the right conditions for a vastly more powerful and useful battery.#NobelPrize pic.twitter.com/ygivR7hySG

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Perfezionato il catodo, nel 1981 Akira Yoshino, nato nel 1948 a Suita in Giappone, dottorato all'università di Osaka nel 2005 e professore alla Meijo University di Nagoya, iniziò a lavorare all'anodo. Al posto del litio puro, utilizzò un materiale che, come l'ossido di cobalto, si sposava meglio con l'intercalazione degli ioni litio: il coke petrolifero, un carbone ottenuto dai processi di distillazione del petrolio. Il risultato, ultimato nel 1985, fu una batteria leggera e a lunga durata che poteva venire ricaricata centinaia di volte prima di calare le sue prestazioni. A differenza delle batterie ordinarie che si basano su reazioni chimiche che scindono gli elettrodi (elettrolisi), questa nuova classe di batterie è basata sul flusso di ioni litio dall'anodo al catodo. A partire dai primi anni '90 il prodotto ha iniziato a conquistare i mercati e a diffondersi nella società.

This year’s #NobelPrize laureate Akira Yoshino succeeded in eliminating pure lithium from the battery, instead basing it wholly on lithium ions, which are safer than pure lithium. This made the battery workable in practice. pic.twitter.com/9tqSh5zTsS

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Quello assegnato quest'anno è un premio interdisciplinare. L'elettrochimica è naturalmente al centro dei lavori dei tre vincitori, ma c'entra molto anche la fisica e ancora di più l'ingegneria. Se l'Accademia ha premiato la scoperta scientifica, per sviluppare la tecnologia e renderla fruibile su larga scala ad ogni strato della società sono stati necessari molti passaggi, ingegneristici appunto. Un numero sempre maggiore di scoperte nel futuro deriveranno necessariamente dalla collaborazione di diverse competenze scientifiche e tecniche, e la chimica si colloca naturalmente al centro di quest'incrocio.

Giappone, Cina, Stati Uniti e Germania oggi sono i 4 Paesi al mondo maggiormente coinvolti nella produzione delle batterie a ioni litio. Probabilmente siamo solo all'inizio dello sviluppo e alla diffusione di queste tecnologie e nel futuro con ogni probabilità ne vedremo di completamente nuove. Si sperimenteranno, già lo si sta facendo, metalli e sostanze alternativi al litio, ancora meno costosi e più sicuri. Tra questi il magnesio, il calcio, l’alluminio.

Per quanto riguarda i trasporti, ad esempio, sarà importantissimo ridurre il volume delle celle, e al contempo consentire maggiore stoccaggio di energia e maggiore autonomia. Occorrerà inoltre ridurre i costi di produzione, aumentare la sicurezza e ridurre l'impatto ecologico, impiegando materiali che mantengano la promessa di sostenibilità alla prova della produzione di massa.