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Il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino “per lo sviluppo delle batterie a ioni di litio” che hanno rivoluzionato le nostre vite e sono in tutti i cellulari, laptop e veicoli elettrici. 

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 storia degli inventori delle batterie al litio

Dai telefonini ai computer portatili, fino a gran parte dei modelli di auto elettriche in commercio: le batterie al litio (piu’ esattamente, gli accumulatori agli ioni di litio) sono presenti piu’ di quanto sappiamo nella vita quotidiana, e hanno aperto la strada a un mondo “sempre piu’ ricaricabile”, come scrive l’Accademia di Svezia nel motivare il Nobel per la Chimica a John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino.

John Goodenough, nato a Jena nel 1922, diventa con i suoi 97 anni il più anziano vincitore di un Nobel di sempre. Nato in una famiglia di intellettuali (il padre professore di storia delle religioni a Yale, il fratello antropologo), si è laureato in matematica a Yale nel lontano 1944. Ha prestato servizio nell’esercito Usa con il ruolo di meteorologo durante il secondo conflitto mondiale, poi ha avviato una brillante carriera di ricercatore al Lincoln Laboratory del MIT, concentrando i suoi studi sulla RAM (random access magnetic memory), che oggi è il cuore di tutti i computer. Tra gli anni ’70 e i primi ’80 è divenuto capo del laboratorio di chimica inorganica dell’Università di Oxford. È in questi anni che ha identificato e sviluppato ‘LixCoO2′ come materiale catodico di elezione per la batteria ricaricabile agli ioni di litio. Dopo le sue scoperte, la prima versione commerciale delle batterie al litio e’ stata messa in commercio da Sony nel 1993. Negli anni ’90 continua la sua ricerca sui solidi a condizione ionica, identificando un nuovo materiale catodico, ‘LixFePO4’, meno costoso e più sicuro del precedente, identificando con il suo team altri promettenti materiali per elettrodi ed elettroliti per celle a combustibile. A 97 anni Goodenough è ancora in piena attività, sempre alla ricerca di batterie più efficaci, meno ingombranti e sicure: la sua ultima visione è la ‘batteria di vetro’, con un elettrolita per l’appunto in vetro che dovrebbe surclassare le batterie al litio in termini di densità di energia, intervallo di temperatura operativa e sicurezza. 

Stanley Whittingham, chimico anglo-americano nato nel 1941, attualmente è professore di chimica e direttore dell’Institute for Materials Research e del programma di Scienza e ingegneria dei materiali alla Binghamton University di New York. Laureato in Chimica ad Oxford nel 1964, è stato borsista post-dottorato a Stanford, e ha lavorato per la Exxon Research & Engineering Company dal 1972 al 1984. Proprio con la Exxon ha sviluppato una batteria al litio ricaricabile chiamata con il suo nome, che si basava su un catodo al disolfuro di titanio e un anodo al litio-alluminio. Un esperimento fallito tuttavia, perché risultato instabile e con rischi per la sicurezza. È ritenuto tuttavia un passo avanti fondamentale per portare poi alle invenzioni di Goodenough, che proprio dal fallimento del collega ha capito di dover optare per batterie con composti di litio, anzichè con litio metallico che è un elemento estremamente reattivo e rischia di bruciare anche in condizioni atmosferiche normali. Non a caso nel 2010 il chimico e’ stato inserito da GreentechMedia tra i 40 innovatori per i contributi al progresso della tecnologia verde.

Akira Yoshino, nato a Suita nel 1948, si è laureato in Ingegneria all’Università di Kyoto nel 1970. Nel 1981, pochi anni dopo le ricerche dei due colleghi premiati con lui oggi, al Kawasaki Laboratory, ha avviato la ricerca sulle batterie ricaricabili utilizzando il poliacetilene, e nel 1983 mette a punto un prototipo di batteria ricaricabile usando ossido di litio cobalto (LiCoO2) (scoperto tra gli altri proprio da Goodenough) come catodo e poliacetilene come anodo. Questo prototipo e’ stato il precursore diretto della moderna batteria agli ioni di litio, ed e’ questo alla base del brevetto del 1991 della Sony, potendosi considerare quindi quello come anno di nascita ufficiale delle batterie che hanno rivoluzionato l’elettronica e si avviano a sconvolgere il mondo della mobilità.

Cosa sono le batterie al Litio

Sono impiegate nei cellulari, nei tablet, nei personal computer. Ma anche in alcune auto elettriche. Le batterie agli ioni di litio sono un tipo di batteria ricaricabile molto diffusa nell’elettronica di consumo. E si deve proprio a nuovi Nobel la loro invenzione e diffusione di massa. Messe a punto negli anni Ottanta, le batterie ricaricabili a ioni di litio furono poi commercializzate nel 1991 dalla Sony. Nello specifico, all’inizio degli anni ’70, Stanley Whittingham sviluppò la prima batteria al litio funzionale. John Goodenough la rese più potente e utile. Infine, Akira Yoshino le ha fatte funzionare usando ioni di litio piuttosto che litio puro, rendendo queste batterie più sicure e pratiche.

Le batterie agli ioni di litio possono essere costruite in una vasta gamma di forme e dimensioni in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi che le utilizzano, e sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate con altri componenti chimici. Questo perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata, la più alta di tutti gli ioni che si sviluppano naturalmente. Gli ioni di litio sono piccoli, mobili e immagazzinabili più rapidamente di quelli di idrogeno.

Inoltre una batteria basata sul litio è più piccola di una con elementi di idrogeno, come le batterie all’accumulatore nichel-metallo idruro e con meno gas volatili. Gli ioni necessitano di meno intermediari per l’immagazzinamento, cosicchè è possibile destinare una quota maggiore di peso della batteria alla carica invece che per l’overhead. Tutto questo ha permesso il balzo in avanti delle auto elettriche, con batterie meno pesanti e più capienti, arrivando a raggiungere autonomie che possono superare i 500 chilometri.

Le batterie Li-ion non soffrono dell’effetto memoria. Hanno anche un basso tasso di auto-scarica, circa il 5% mensile, rispetto all’oltre 30% mensile delle batterie all’idruro metallico di nichel e al 20% mensile di quelle al nichel-cadmio, ma soffrono di una lenta perdita permanente di capacità. Questo tipo di batteria infatti presenta un degrado progressivo anche se non viene utilizzata: ha una durata di conservazione fissa, in inglese shelf life, a partire dal momento della fabbricazione, indipendentemente dal numero di cicli di carica/scarica.

Altro problema, che ha enormi implicazioni geo-politiche, è che il litio non si trova facilmente: l’85% del litio disponibile (dato del 2017) viene dai giacimenti nel triangolo andino sudamericano (Bolivia, Argentina e Cile), dove l’estrazione è complessa e non è particolarmente incentivata.

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