Al piombo, al litio, al nichel-metallo? Un approfondimento delle principali tecnologie di batterie presenti all'interno delle automobili, in particolare i veicoli elettrici o ibridi
Una batteria accumula energia in forma chimica e la converte in energia elettrica. Il suo funzionamento segue pi¨´ o meno sempre lo stesso schema: all¡¯interno del dispositivo ci sono due poli chiamati anodo e catodo, caricati il primo negativamente e il secondo positivamente. Essi sono separati da un elettrolita che permette alle cariche di spostarsi e quindi di creare un flusso di energia. Le differenze stanno nei materiali usati per i singoli elementi. Possono essere secondari, ovvero ricaricabili, oppure primari, ¡°usa e getta¡±, come quelli di certe pile. In questo articolo si vedranno soltanto le pi¨´ comuni batterie coinvolte nell¡¯industria automobilistica: le tipiche batterie di avviamento al piombo, le diffusissime batterie al litio e le batterie allo stato solido.
BATTERIE AL PIOMBO-ACIDO
¡ª ?Il primo sistema di accumulo di energia fu ideato nella seconda met¨¤ dell¡¯Ottocento e ha dato luce alle moderne batterie al piombo-acido, di grande successo per il basso costo dei materiali necessari al loro funzionamento e la loro notevole erogazione di potenza. Sono usate ancora oggi nei veicoli come batterie di avviamento, ma per usi pi¨´ duraturi ed elaborati sono state quasi tutte sostituite dalle batterie al litio. Il loro funzionamento ¨¨ basato sui soliti due elettrodi, anodo e catodo, entrambi a base di piombo. L¡¯elettrolita ¨¨ composto da una soluzione di acqua e acido solforico e l'energia si libera grazie al passaggio della carica dall¡¯elettrodo negativo a quello positivo mediante una reazione chimica. Le batterie di questo tipo, come gi¨¤ menzionato, sono particolarmente facili ed economiche da produrre e sono meno infiammabili di quelle al litio. Gli svantaggi sono molto numerosi, per¨°: hanno una durata limitata e una minore densit¨¤ energetica oltre al fatto che tendono a scaricarsi anche quando non sono in uso. La questione dello smaltimento ¨¨ oltremodo complicata: le batterie al piombo hanno al loro interno sostanze tossiche sia per gli umani che per l¡¯ambiente, in primis proprio il piombo.
BATTERIE AL NICHEL-METALLO
¡ª ?Un altro tipo di batterie di successo nell¡¯ambito dei veicoli, soprattutto ibridi (come per esempio le prime generazioni dell'iconica Toyota Prius) sono le batterie al nichel-metallo idruro. Il peggior difetto di queste batterie ¨¨ la loro propensione alla perdita di prestazioni, di capacit¨¤ di accumulo, se si effettuano ricariche errate del dispositivo, il cosiddetto effetto memoria.
BATTERIE AL LITIO
¡ª ?Sono le batterie ricaricabili pi¨´ diffuse al giorno d¡¯oggi e sono impiegate soprattutto nell¡¯elettronica di consumo, dai telefoni cellulari ai computer, fino ai?veicoli elettrici?e ibridi. Il litio ¨¨ presente all¡¯interno sotto forma di ione, ovvero una molecola dotata di una carica, positiva o negativa. Ogni batteria ¨¨ composta da due elettrodi chiamati anodo e catodo. L¡¯anodo ¨¨ caricato negativamente, mentre il catodo positivamente. Essi sono separati da un elettrolita che funge appunto da separatore e contemporaneamente mezzo attraverso cui si muovono gli ioni di litio durante le fasi di carica e scarica. Questo movimento da anodo e catodo (tramite l¡¯elettrolita) genera un flusso di energia.?Rappresentano un passo avanti rispetto alle batterie al piombo: sono particolarmente efficienti e a volumi molto limitati permettono un¡¯ottima densit¨¤ energetica. Un altro grande lato positivo sta nell¡¯assenza dell'effetto memoria.
SVANTAGGI DELLE BATTERIE AL LITIO
¡ª ?Nonostante il loro diffuso uso, la ricerca sulla loro tecnologia non ¨¨ giunta al termine: le sfide principali sono legate alla sicurezza di questi accumulatori, infatti la forte reattivit¨¤ del litio rappresenta un rischio di esplosione soprattutto ad alte temperature. Quest¡¯ultimo elemento ¨¨ un fattore a cui sono infatti molto sensibili. Per non parlare dell'impatto ambientale e sociale conseguenza del metodo di estrazione delle materie prime. La fase pi¨´ controversa della vita delle batterie al litio, rimane per¨° l¡¯ultima: lo smaltimento. I materiali altamente tossici e inquinanti le rendono dei rifiuti pericolosi che necessitano un processo particolare di eliminazione, che per ora non contempla il riciclo al 100%.
BREVE STORIA DELLE BATTERIE AL LITIO
¡ª ?L¡¯invenzione ¨¨ opera di John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, premi Nobel per la chimica nel 2019 proprio per il loro lavoro sulle batterie al litio. In ordine cronologico, a compiere degli studi per primo fu Wittingham a met¨¤ degli anni Settanta; tempo dopo Goodenough fece dei notevoli passi avanti e a met¨¤ degli anni Ottanta la tecnologia fu perfezionata da Akira Yoshino. Il commercio delle batterie inizi¨° una decina di anni dopo.
BATTERIE ALLO STATO SOLIDO
¡ª ?Le batterie allo stato solido rappresentano la prossima frontiera della tecnologia per l¡¯accumulo di energia. La loro struttura differisce da quella delle altre batterie in quanto l¡¯elettrolita ¨¨ allo stato solido e agisce anche da separatore, mentre il meccanismo di carica, accumulo e scarica ¨¨ il medesimo. Hanno tanti vantaggi: in primis la loro densit¨¤ energetica corrisponde a circa due volte quella delle batterie al litio a volume stabile e i tempi di ricarica sono oltremodo pi¨´ brevi, insieme alla loro maggiore durata e sicurezza. Quest¡¯ultima caratteristica ¨¨ conseguenza del fatto che gli elettroliti solidi non sono infiammabili come quelli liquidi, sono quindi sfruttabili a temperature pi¨´ elevate scongiurando il pericolo di esplosione. Non pagando inoltre la perdita di prestazioni, conseguenza della reazione tra l¡¯elettrolita liquido con l¡¯anodo, la loro durata ¨¨ notevolmente maggiore. Gli elementi solidi testati sono di vari tipi ma non sono stati ancora individuati materiali abbastanza affidabili per agire come elettroliti. Attualmente comincia la loro diffusione industriale e?i primi risultati sono promettenti.?
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