LE BATTERIE RICARICABILI AGLI IONI LITIO E LE AUTO ELETTRICHE. IN FUTURO BATTERIE DI VETRO?

 Adattato da “Chimica blu” di Brady, Jespersen, Hyslop, Pignocchino- Ed Zanichelli

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB) sono state una delle più importanti invenzioni della fine del XX secolo. Immesse sul mercato nel 1991, hanno progressivamente reso possibile la diffusione di dispositivi portatili senza fili come computer e smartphone, che hanno cambiato il nostro modo di lavorare e comunicare. Oggi si stanno affermando anche nel settore della mobilità elettrica (automobili, motociclette e biciclette). John Goodenough (USA), Stanley Whittingham (UK, ma naturalizzato statunitense) e Akira Yoshino (Giappone), che hanno inventato e perfezionato le batterie al litio, sono stati insigniti del premio Nobel per la Chimica nel 2019.

Le LIB contengono molti elementi, ma il litio è il protagonista assoluto. Questo elemento, infatti, ha delle caratteristiche perfette per batterie leggere e veloci da ricaricare: è il metallo più leggero della tavola periodica (30 volte più leggero del piombo, molto usato nelle batterie) ed ha una forte tendenza a perdere un elettrone e diventare ione Li⁺. La batteria è in grado di imbrigliare l’energia che entra in gioco quando si separano fisicamente gli ioni di litio dagli elettroni: i primi si muovono all’interno della batteria mentre i secondi all’esterno. Vediamo com’è fatta e come funziona una LIB.

All’interno della batteria lo ione Li+, fa la spola tra due estremità con cariche di segno opposto, detti poli. Quando la batteria viene caricata collegandola alla presa elettrica, gli ioni Li sono forzati a muoversi dal polo positivo, il catodo, al polo negativo, l’anodo (B in figura). Viceversa, quando la batteria si scarica, perché stiamo usando il nostro dispositivo, gli ioni litio si muovono nella direzione opposta (A in figura). All’esterno della batteria, un flusso di elettroni (carichi negativamente), segue lo stesso andirivieni degli ioni litio. Più in dettaglio, nella fase di carica, l’energia elettrica prelevata dalla rete è utilizzata per espellere gli ioni litio dal catodo, dove si trovano nella loro posizione «di riposo», cioè annidati in cristalli che contengono ossigeno e metalli come cobalto, nichel e manganese. Espulsi dal catodo, sia gli ioni litio sia gli elettroni sono ospitati dall’anodo, composto da sottilissimi fogli di grafite. In questa condizione, la batteria è in uno stato forzato, innaturale, a elevata energia. Nella fase di scarica si sfrutta l’energia accumulata dalla batteria per alimentare il dispositivo (ad es. il pc, il cellulare o, come in figura, una lampadina) inserito esternamente, tra il catodo e l’anodo. In questo modo gli elettroni possono tornare dall’anodo verso il catodo generando una corrente elettrica che alimenta il dispositivo. Contemporaneamente gli ioni Litio, all’interno della batteria, tornano alla loro posizione di riposo, attirati dallo spostamento degli elettroni.

Il litio è il metallo ideale per queste batterie in quanto essendo piccolo e leggero si muove agilmente nella batteria garantendo un’elevata velocità di ricarica e lunga durata: possiamo ricaricare una LIB centinaia di volte prima che si degradi; inoltre a parità di energia contenuta, una batteria al litio pesa molto meno di una batteria al piombo, rendendola più adatta sia per dispositivi portatili che per automobili.

Lo sviluppo delle batterie al litio può aprire la strada a un cambiamento radicale nel settore dei trasporti. Può sembrare incredibile ma agli inizi del 1900, negli Stati Uniti, circolavano più auto elettriche che auto a benzina e non era chiaro quale tecnologia avrebbe prevalso. Nel giro di pochi anni l’espansione della rete stradale e l’enorme crescita della produzione di petrolio eliminò dalla scena le auto elettriche, soprattutto per l’impareggiabile densità energetica dei combustibili liquidi: benzina e gasolio che con appena un litro di carburante possono far muovere automezzi di 20 quintali per quasi 20 km! L’invenzione delle batterie agli ioni di litio ha aperto la strada alla rivincita dell’auto elettrica. Nell’auto tradizionale il componente più pesante e ingombrante è il motore, nell’auto elettrica è la batteria. Una batteria di un’auto di media potenza pesa circa 200 kg; si stima che contenga circa 10 kg di litio e tra i 5 e i 10 kg di cobalto, cui si aggiungono nichel, manganese e carbonio sotto forma di grafite, per un totale di circa 100 kg: un quintale di materiali preziosi per ogni singola automobile! È quindi abbastanza evidente che la transizione alla mobilità elettrica pone un problema di disponibilità di materie prime. Soffermiamoci in particolare su litio e cobalto, i componenti chimici chiave delle batterie ricaricabili agli ioni litio.

Il principale produttore mondiale di litio è l’Australia dove questo prezioso metallo è estratto da rocce in cui si trova a concentrazioni particolarmente elevate. Seguono Cile e Argentina (e Cina), dove il litio viene estratto da acque ricche di sali nella regione dei grandi laghi salati localizzati a cavallo tra Bolivia, Cile e Argentina, nel cosiddetto triangolo del litio. 

Triangolo del litio

In particolare il Salar de Uyuni, lago salato che si trova in Bolivia al confine con il Cile, si estende per circa 10.000 km e costituisce la più grande riserva mondiale accertata di litio. Tuttavia l’estrazione di questo metallo è al centro di un acceso dibattito che ne ha finora bloccato lo sfruttamento intensivo. Questo, infatti, avrebbe un enorme impatto economico, sociale e ambientale in un luogo che, oltre a essere considerato uno dei più belli della Terra ( detto “lo specchio del mondo”), è anche uno dei più poveri del continente americano.

Salar de Uyuni: lo specchio del mondo

Se tutte le auto attualmente circolanti fossero elettriche, la domanda annuale di litio si attesterebbe sulle 800.000 tonnellate: circa 10 volte l’attuale produzione mondiale, oggi destinata solo per il 50% al mercato delle batterie, mentre il resto si usa nell’industria ceramica, del vetro, dei lubrificanti e in applicazioni minori. Sebbene si potrà aumentare di 10 volte la produzione mondiale di litio rispetto ai livelli attuali, non si potranno estrarre milioni di tonnellate di litio ogni anno per i decenni a venire: l’unica opzione che abbiamo è: RICICLARE.

Nella tavola periodica dell’abbondanza degli elementi, il cobalto è riportato in arancione, poiché, è uno dei metalli a maggior rischio disponibilità nel medio termine. È il miglior metallo di transizione da utilizzare nei catodi per LIB. Si sta tentando di sostituirlo con altri metalli meno preziosi (nickel e manganese), ma al momento è impossibile eliminarlo senza compromettere la qualità delle LIB. La produzione di cobalto è soggetta a diverse criticità. È un classico esempio di metallo autostoppista, ottenuto principalmente come sottoprodotto dell’estrazione di nichel e rame, quindi a rischio di volatilità del prezzo. Inoltre la sua produzione è concentrata per oltre il 60% nella Repubblica Democratica del Congo, un Paese politicamente instabile dove sono presenti attività estrattive abusive con violazioni dei diritti dei lavoratori e impiego di bambini. Anche la raffinazione del cobalto è fonte di preoccupazione, essendo quasi esclusivamente controllata dalla Cina. In pratica, la disponibilità di cobalto si delinea oggi come un potenziale ostacolo all’espansione della mobilità elettrica.

Nuovi sviluppi della mobilità elettrica potrebbero provenire, in futuro, dalle batterie di vetro, di recente sviluppate dallo stesso Goodenough, vincitore del Nobel per le batterie al litio. Le proprietà di queste batterie sono molto promettenti e potrebbero aggirare gli ostacoli e i problemi presentati dalle batterie al litio, come si può scoprire leggendo il seguente articolo:

https://zeroemission.eu/il-premio-nobel-john-goodenough-lancia-la-batteria-di-vetro/