Evoluzione delle batterie: dall’invenzione della pila, al piombo, fino alle più recenti batterie al litio

L’invenzione della pila fu diffusa alla comunità scientifica internazionale dallo stesso Volta, in una lettera che lo scienziato inviò il 20 marzo del 1800 al presidente dell’Accademia delle Scienze inglese, la cosiddetta Royal Society di Londra. Questa venne poi pubblicata sulla prestigiosa rivista “Philosophical Transactions of the Royal Society“, che rese lo scienziato il vero e proprio padre riconosciuto di questa invenzione epocale.

Lo sapevi che il Volt, l’unità di misura della tensione elettrica, prende infatti il suo nome proprio da Alessandro Volta in onore della sua grande invenzione?

L’evoluzione della pila: la batteria

La pila era certamente un’invenzione geniale, ma aveva un problema di non poco conto: non si poteva ricaricare e quindi, una volta a scaricata, si era costretti a ricominciare tutto il processo da capo. Il potenziale, però, era estremamente interessante ed è stata proprio la lungimiranza di visione dietro al concetto di pila che ha permesso a questo primo prototipo di evolversi, trasformandosi nel tempo (e dopo diversi passaggi), nella batteria che tutti conosciamo.

Ma se parliamo di batterie, si apre un vero e proprio mondo fatto di elementi chimici, capacità e soluzioni studiate sulle specifiche esigenze delle più diverse applicazioni, dall’uso industriale a quello domestico e personale.

La batteria ha avuto a sua volta diverse fasi evolutive, dalle ormai superate batterie al piombo, alle più recenti batterie al litio, disponibili in una miriade di differenti chimiche, fino alle ultime generazioni di batterie ancora più avanzate, come ad esempio le tanto dibattute batterie allo stato solido, ancora in fase di studio. Insomma, una strada in evoluzione e che traccerà per molto tempo il nostro cammino, mossa da continui aggiornamenti tecnologici e studi volti a rendere questa tecnologia sempre più performante.

La nascita delle batterie al piombo

Il primo discendente della pila è la batteria al piombo, quella che per prima ha fatto decollare questa tecnologia. La batteria al piombo è stata inventata nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté ed aveva un enorme vantaggio per l’epoca: era ricaricabile, il che significava che poteva essere utilizzata più volte e, al bisogno, poteva essere riportata al suo pieno stato di carica.

Si trattava inizialmente di due fogli di piombo avvolti a spirale e separati da una striscia di gomma, immersi in un elettrolita di acido solforico e contenuti in un barattolo di vetro. Questa tecnologia si è perfezionata nel tempo, con l’intervento dello studioso Camille Alphonse Feure, che ne inventò una versione molto più semplice da produrre in serie, che consisteva in un reticolo a griglia di piombo, in cui veniva pressata una pasta di ossido di piombo, che ne formava una piastra. Le batterie al piombo hanno poi subito ulteriori migliorie, rimanendo però concettualmente molto fedeli al prototipo originale.

 *[Fig.2] Struttura di una batteria al piombo

Seppur ancora utilizzate in molte auto endotermiche e su qualche mezzo industriale, le batterie al piombo sono ormai una scelta obsoleta ed estremamente limitata in termini di efficienza e performance, soprattutto dal punto di vista della bassa densità energetica, dei loro grandi limiti nei cicli vita, dei lunghi tempi di ricarica e del loro peso molto impattante, senza tralasciare la manutenzione continua necessaria per farle funzionare al meglio. In molti settori, quindi, si sono via via fatte da parte, lasciando spazio alla tecnologia per eccellenza del nuovo millennio: le batterie al litio.

L’invenzione delle batterie al litio

Poco più che quarantenni, le batterie al litio sono nate nel 1979 e sono state considerate, sin da subito, una vera e propria rivoluzione. Basti pensare che nel 2019 i padri fondatori di questa tecnologia, Stanley Whittingham, John Goodenough e Akira Yoshino, hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica, per aver creato un vero e proprio strumento di cambiamento, che in pochissimo tempo ha completamente stravolto il nostro modo di vivere.

Le batterie agli ioni di litio sono infatti utilizzate per fornire energia alla maggior parte degli utensili, dispositivi elettronici, smartphone, tablet, pc, orologi, ma anche biciclette, monopattini, auto, macchine e veicoli industriali appartenenti ai settori più disparati. Insomma, la maggior parte degli strumenti con cui ci interfacciamo tutti i giorni funzionano proprio grazie all’energia erogata delle batterie al litio.

 *[Fig.3] Come funzione una batteria al litio?

Com’è composta una cella al litio?

Le celle al litio, oggi, sono composte da due elettrodi: il catodo e l’anodo. Il primo è il cosiddetto polo positivo della batteria, costituito da materiale catodico (es. LFP, NMC, LMO ecc.) e da un collettore di corrente. L’anodo, invece, è il polo negativo della batteria, costituito da materiale anodico (es. carbonio o grafite) e dal collettore di corrente. Questi sono isolati grazie ad un separatore centrale, uno strato sottile di polimero plastico o ceramico, e il tutto è bagnato da un elettrolita, un liquido organico che riempie il volume interno alla cella bagnando gli elettrodi e permettendo il passaggio degli ioni di litio tra un polo e l’altro.

Le ragioni che hanno reso le batterie al litio la tecnologia per eccellenza nel passaggio all’elettrificazione sono varie, ma possiamo provare a riassumere 8 dei principali vantaggi che le distinguono dalle loro predecessore al piombo.

• Alta efficienza energetica (96%)
• Velocità di ricarica, che permette di effettuare una carica completa in sole 2 ore
• Possibilità di cariche e cariche parziali che aumentano la vita della batteria
• Zero manutenzione, che si traduce anche in nessun costo di struttura
• Alta densità energetica, quindi la capacità di immagazzinare molta energia in volume e peso contenuti
• Lunga vita operativa, che si traduce in migliaia di cicli di carica
• Peso contenuto, circa 5 volte più leggero rispetto al peso di una batteria al piombo
• La possibilità di scegliere diverse chimiche su base litio in base al mezzo o dispositivo che si deve elettrificare

Una tecnologia a tutti gli effetti performante ed efficiente, testata e validata nei più diversi ambiti e che ha letteralmente cambiato le nostre percezioni e le nostre abitudini, trasformandosi in un compagno silenzioso della nostra quotidianità.

Ma come sono nate le batterie al litio e qual è stato il loro elemento differenziante? Ce lo spiegano i tre padri fondatori

 *[Fig.4] I padri fondatori delle batterie al litio

La storia delle batterie al litio ha inizio negli anni ’70, in piena crisi energetica, dove la ricerca di fonti alternative ai combustibili fossili era tra i principali temi all’ordine del giorno.

Stanley Whittingham e la scoperta delle potenzialità del litio

Il ricercatore Stanley Whittingham, molto attivo su questo fronte, in particolare nella ricerca di superconduttori, si rese conto che il litio, il terzo elemento della tavola periodica, aveva un potenziale elettrochimico che lo rendeva un componente estremamente potente. Si trattava infatti del metallo più leggero conosciuto, l’elemento solido meno denso e, il suo maggior potenziale elettrochimico lo portava inoltre ad avere eccellenti prestazioni energetiche e di peso.

Da lì l’intuizione: produrre una batteria dove l’anodo fosse realizzato parzialmente in litio metallico (che per la sua struttura è in grado di cedere facilmente i propri elettroni) e il catodo in disolfuro di titanio, il quale a livello molecolare ha spazi che possono intercalare gli ioni di litio. La batteria parve avere un ottimo potenziale, poco più di 2 Volt, una buona densità energetica e funzionava a temperatura ambiente.  Il principale problema che Whittigham riscontrò era legato alla sicurezza, con un alto rischio di cortocircuito dovuto all’alta reattività del litio metallico.

John Goodenough e l’aumento della potenza della batteria

Ulteriori sviluppi a questa tecnologia sono stati apportati dal chimico tedesco John Goodenough nel 1980, dapprima teorizzando e poi sviluppando una batteria con catodo in ossido di cobalto, elemento in grado di aumentare il potenziale della batteria a 4 Volt. Questa scoperta ha conferito alla batteria una più alta densità energetica, peso ridotto e alta capacità. Un passo fondamentale che ha gettato le basi verso la mobilità elettrica del futuro.

Akira Yoshino e la prima batteria al litio

A realizzare, invece, il primo prototipo di batteria al litio ufficialmente commercializzabile ci ha pensato il chimico e ingegnere giapponese Akira Yoshino nel 1985. Invece di usare il litio reattivo nell’anodo, ha usato il coke di petrolio, un materiale di carbonio che può intercalare gli ioni di litio come l’ossido di cobalto del catodo.

A differenza delle altre batterie realizzate fino a quel momento, le quali erano basate su reazioni chimiche che rovinavano gli elementi che costituivano la cella, questa nuova batteria al litio consentiva un vero e proprio flusso degli ioni di litio tra anodo e catodo.

Il risultato? Una batteria leggera, con buona densità energetica e soprattutto ricaricabile centinaia di volte, brevettata da Yoshino nel 1985 e commercializzata da Sony nel 1991, azione che ha dato il via alla produzione di massa e che avrebbe segnato una nuova era della comunicazione e della mobilità.

Il futuro della mobilità elettrica vive nella ricerca

La Giornata Internazionale della Batteria è un ottimo modo per farci riflettere, ripercorrendo la storia e l’importanza di uno strumento che oggi è diventato indispensabile nella maggior parte delle nostre attività.

Ma la ricerca nel settore delle batterie al litio è un vulcano in continuo fermento, fatto di studi minuziosi, test  tecnici in laboratorio, scelta accurata di componenti ed elettronica sempre più intelligente: oggi le ricerche proseguono verso nuove generazioni di celle e di pacchi batterie sempre più performanti, come le batterie con elettrolita allo stato solido per citarne alcune, che sembrano poter offrire un grado di sicurezza senza precedenti, tempi di ricarica ultra rapidi e una sempre maggiore densità energetica.

Le batterie allo stato solido sono una tecnologia ancora in fase di definizione, ma che potrebbe essere l’elemento chiave per l’elettrificazione di settori sempre più sfidanti.