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Ricaricabili e leggere hanno rivoluzionato il nostro modo di comunicare, muoversi e lavorare. Ecco come sono nate e come funzionano le batterie al litio.
Hanno rivoluzionato il modo di conservare l’energia a partire dagli inizi degli anni novanta.
Il vero protagonista è lui: il LITIO, un metallo, l’elemento solido più leggero. Il litio puro è piuttosto instabile, più comune è invece il litio sotto forma di ione, carico positivamente, per la perdita di un elettrone. Ed è per questa particella carica positivamente che le batterie possono essere ricaricate tantissime volte senza perdere efficacia.
Per comprendere il suo funzionamento è utile forse ricordare prima come è stata scoperta questa grande invenzione.
Negli anni settanta, in piena crisi del petrolio e alla ricerca di modelli energetici alternativi, Stanley Whittingham viene arruolato per lavorare nel campo energetico per conto della Exxon. La capacità del litio di donare facilmente elettroni attirò l’attenzione del ricercatore britannico, al lavoro per cercare soluzioni al problema dell’immagazzinamento dell’energia all’interno di batterie ricaricabili. Whittingham pensò di utilizzare il litio metallico come anodo (anode) di una batteria, ovvero come l’elettrodo negativo da cui si muovono gli elettroni. Come catodo (cathode), invece, il ricercatore utilizzò un materiale fatto di disolfurio di titanio (titanium disulfide), una sostanza che al suo interno può ospitare ioni di litio (lithium ions).
La batteria messa a punto da Whittingham funzionava in questo modo:
gli ioni di litio, così come gli elettroni, si muovevano dall’anodo al catodo con disolfuro di titanio, e da qui venivano riportati indietro quando la batteria veniva caricata.
La batteria di Whittingham aveva un solo problema: il litio metallico usato nell’anodo era troppo esplosivo. Vennero effettuate delle modifiche ma l’abbassamento dei prezzi del petrolio fecero interrompere le ricerche di Whittingham.
Nel corso degli anni 80 John Goodenough, chimico statunitense, intuì che cambiando la costituzione del catodo si sarebbe potuta aumentare la potenza delle batterie: sostituendo il disolfuro di titanio con l’ossido di cobalto (cobalt oxide) il ricercatore di Oxford riuscì a mettere a punto una batteria da 4 volt, il doppio di quella di Whittingham.
Il bisogno di batterie più leggere e potenti diede la spinta necessaria alla ricerca sulle batterie agli ioni di litio. Akira Yoshino, il terzo protagonista dell’evoluzione delle batterie al litio, pensò di utilizzare il coke petrolifero, un sottoprodotto della lavorazione del petrolio, per la costruzione del materiale dell’anodo per alloggiare gli ioni di litio, in modo analogo a quanto fatto dall’ossido di cobalto nel catodo. Ne risultò un prodotto stabile, leggero e sicuro, pronto dalla metà degli anni 80 a diventare un prodotto commerciale, infatti questi progressi permisero alla Sony e alla Asahi Kasei la commercializzazione dal 1991.
Come abbiamo descritto in precedenza, la caratteristica principale di una batteria agli ioni di litio è la composizione del suo anodo e catodo. Esistono molte tipologie di batterie agli ioni di litio, ognuna con caratteristiche ed applicazioni differenti: ad esempio le batterie al litio ossido di cobalto sono specifiche per gli smartphone ed i pc laptop, formate da un catodo in ossido di cobalto e un anodo in grafite (graphite).
Nel settore dell’automotive invece, per le auto con motorizzazione elettrica esiste una particolare composizione chimica per le sue batterie, quella al litio, nichel, manganese e cobalto. Questa particolare composizione permette di ottimizzare la carica della batteria ed allo stesso tempo fornire la massima energia possibile, inoltre grazie al nichel la batteria ottiene un’alta energia specifica, mentre i microcristalli del manganesio(?) formano un’architettura tridimensionale che favorisce il flusso di elettroni, riducendo la resistenza elettrica e consentendo un maggiore controllo della corrente, in quanto gli elettroni passano attraverso dei microscopici canali; la struttura si presenta come una griglia di cristalli.
Questo tipo di batterie possono presentare al catodo una combinazione 1-1-1, ovvero una parte di nichel, una parte di manganese e una parte di cobalto, oppure 5-3-2. I costruttori stanno cercando di ridurre il cobalto a favore del nichel per ridurre i costi.