Quest’anno, il Premio Nobel per la chimica è stato assegnato per studi in campo elettrochimico. In questo specifico settore della chimica è la seconda volta che accade dalla istituzione nel 1901 del prestigioso riconoscimento. Il primo Premio fu assegnato nel 1959 al professore Jaroslav Heyrovský dell’Università di Praga (della ex Cecoslovacchia), per la scoperta e lo sviluppo della polarografia, una tecnica elettroanalitica diffusamente impiegata, per studiare fenomeni elettrochimici di base, ma anche quale metodo per l’analisi di metalli pesanti e molte sostanze organiche anche a concentrazioni molto basse. Il premio di quest’anno è stato assegnato ai tre luminari che più di tutti hanno contribuito allo sviluppo delle moderne batterie secondarie a ioni di litio, i professori John B. Goodenough, della University of Texas (Austin, USA), M. Stanley Whittingham della Binghamton University, State University (New York, USA) e Akira Yoshino della Asahi Kasei Corporation, e Meijo University (Giappone). Ciascuno dei tre eminenti chimici ha contribuito a una fetta della rivoluzione che avrebbe modificato le nostre abitudini, aprendo una finestra verso il futuro per la “eco-rivoluzione” del nostro tempo e per ottenere energia diversa dai combustibili fossili.
Per comprendere i passi che hanno portato nel 2019 al premio Nobel per la chimica, è utile ricordare alcuni principi dell’elettrochimica, di cosa sia una batteria (o pila), i componenti essenziali di questi strumenti e come funziona una batteria al litio.
L’elettrochimica è quella branca della chimica che si occupa dei processi che coinvolgono il trasferimento di elettroni tramite un circuito elettrico esterno (costituito, in genere di fili metallici) e non per scambio diretto tra specie chimiche che si trovano in uno stesso mezzo, in genere liquido, come ad esempio una soluzione acquosa. E’ grazie a questi fenomeni che è possibile ottenere strumenti che producono o accumulano energia elettrica, sfruttando reazioni chimiche, e quindi l’energia contenuta nella materia. Il più semplice apparato strumentale che consente di realizzare questi processi si definisce cella elettrochimica o pila. Questa consente di far passare corrente continua in modo controllato.
La prima pila di uso pratico fu inventata da Alessandro Volta nel 1799. Ecco alcune delle frasi con cui lo scienziato Italiano comunicò al mondo accademico e scientifico i risultati della sua ricerca.
“L’apparecchio di cui vi parlo e che senza dubbio vi meraviglierà, non è che l’insieme di un numero di buoni conduttori di differente specie, disposti in modo particolare, 30, 40, 60 pezzi, o più, di rame, o meglio d’argento, applicati ciascuno a un pezzo di stagno, o, ciò che è molto meglio, di zinco, e un numero uguale di strati d’acqua, o di qualche altro umore che sia miglior conduttore dell’acqua semplice, come l’acqua salata, la lisciva, ecc., o dei pezzi di cartone, di pelle, ecc., bene imbevuti di questi umori: di tali strati interposti a ogni coppia o combinazione di due metalli differenti, una tale serie alternata, e sempre nel medesimo ordine di questi tre pezzi conduttori, ecco tutto ciò che costituisce il mio nuovo strumento.”
Per semplificare, un tipo di pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più elementi sovrapposti, consistenti in dischi di zinco alternati a dischi di rame e separati da uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto in acqua salata (soluzione buon conduttore). Collegando gli estremi superiore e inferiore della pila per mezzo di fili metallici come il rame si crea un circuito nel quale passa corrente continua.
La scelta dei due diversi metalli e della soluzione che compongono la pila non è casuale. Uno dei due metalli deve avere una elevata tendenza a cedere elettroni, il secondo deve avere capacità di accettarli. Questa diversa attitudine sviluppa una differenza di potenziale, che rappresenta il “motore” per il passaggio della corrente elettrica. Il metallo che perde elettroni (cariche negative) libera simultaneamente ioni positivi (cioè l’elemento con una carica positiva). Gli elettroni, dal metallo che li libera (detto anche anodo), vengono spontaneamente trasferiti attraverso i fili metallici esterni al secondo metallo (detto catodo), mentre gli ioni positivi si spostano in soluzione, consentendo così di chiudere il circuito elettrico.
Dall’invenzione della pila di Volta in poi, questi fondamentali principi sono stati sfruttati da numerosi ricercatori per produrre batterie che potessero essere utilizzate non solo a scopi scientifici, ma anche per essere commercializzate per il funzionamento di svariati apparecchiature elettriche sia di piccole che di grandi dimensioni.
Batterie al Litio (simbolo chimico, Li) e ruolo dei Premi Nobel
Le batterie al litio furono inventate attorno al 1912 da Gilbert N. Lewis (1875-1946), non considerate utili a fini commerciali fino ai primi anni settanta. Sono celle non ricaricabili, ma che forniscono voltaggi superiori alle altre più comuni pile. Questo vantaggio è dovuto al litio, metallo alcalino bianco argenteo, il più leggero e piccolo degli elementi solidi, ed è tra gli elementi che posseggono la più elevata tendenza a cedere elettroni, e conseguentemente capace di sviluppare un elevato potenziali elettrico. Le batterie al litio non ricaricabili vengono in genere prodotte sotto forma di bottone, per l’alimentazione di memorie di PC, apparecchi medicali, telecomandi, o altri dispositivi nei quali la loro proprietà di mantenere a lungo la carica, quindi la loro grande durata nel tempo, risulta particolarmente vantaggiosa.
Ulteriori sviluppi della tecnologia basata sul litio hanno portato alle batterie ricaricabili denominate “agli ioni di litio”. La ricerca che ha portato alla creazione di questo tipo di batterie ricaricabili iniziò durante la crisi petrolifera degli anni ’70. Sarebbe stata proprio la capacità del litio a donare facilmente elettroni ad attirare l’attenzione del ricercatore britannico Stanley Whittingham, per cercare soluzioni al problema dell’immagazzinamento dell’energia all’interno di batterie ricaricabili. Whittingham pensò di utilizzare il litio metallico come anodo di una batteria, ovvero come l’elettrodo negativo da cui si muovono gli elettroni. Come catodo della batteria (l’elettrodo positivo) il ricercatore utilizzò un materiale fatto di disolfuro di titanio, un superconduttore molto efficiente che al suo interno può ospitare i piccoli ioni litio. Nella batteria messa a punto da Whittingham, gli ioni litio (così come gli elettroni) si muovevano dall’anodo al catodo durante la produzione di corrente, e da qui venivano riportati indietro quando la batteria veniva rimessa in carica. La batteria di Whittingham però mancava di praticità in quanto il litio metallico usato nell’anodo, a causa della sua elevata reattività, poteva dar luogo ad esplosioni. Infatti, il primo prototipo rischiò di esplodere a causa delle ripetute ricariche, problema risolto con la successiva introduzione dell'alluminio nella struttura dell'anodo. Anche con queste modifiche, le batterie riuscivano a immagazzinare solo quantità ridotte di energia. A causa di queste problematiche il lavoro di Whittingham venne temporaneamente interrotto.
E’ grazie alle ricerche svolte da John B. Goodenough, secondo protagonista del Premio Nobel, che le batterie al litio hanno cominciato a riguadagnare interesse e si sarebbero avviate a diventare quello che sono oggi. Nel corso degli anni ottanta Goodenough, riprendendo il lavoro svolto da Whittingham, intuì che fosse necessario migliorare la composizione del catodo (polo positivo) della batteria per renderla più efficiente. Infatti sostituendo il disolfuro di titanio con l’ossido di cobalto, è stato possibile ampliare il potenziale della batteria da 2 a 4 volt, rendendola quindi potente il doppio. Goodenough aveva inoltre capito che la batteria poteva essere prodotta scarica, rendendo più sicuro il suo utilizzo e la commercializzazione; essa poteva essere caricata in un secondo tempo. Procedura quest’ultima oggi ampiamente impiegata per le moderne batterie al litio commerciali. Purtroppo, anche le batterie di Goodenough, come quelle di Whittingham, risultavano piuttosto costose, mentre il petrolio nei paesi occidentali continuava a diminuire e l’esigenza di produrre batterie più efficienti era poco sentita.
E’ stato il bisogno di batterie leggere e potenti a dare la spinta decisiva alla ricerca sulle batterie agli ioni di litio. Akira Yoshino, il terzo protagonista del Nobel della chimica, pensò che la chiave per il miglioramento dell’efficienza delle batterie fosse rivedere il funzionamento dell’anodo, visto che Goodenough era già riuscito a migliorare quello del catodo. Sperimentò diversi materiali e infine trovò che quello ideale fosse il coke petrolifero, un tipo di carbone derivato dalla raffinazione del petrolio. Questa soluzione gli permise di utilizzare solamente gli ioni di litio, producendo una batteria molto più stabile e il cui principio è alla base degli accumulatori che usiamo tutti i giorni. Ovviamente la diffusione di cellulari e altri strumenti portatili in numero molto elevato di esemplari ha favorito una notevole riduzione di costo di queste batterie.
Da quando sono entrate in commercio per la prima volta nel 1991, le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato la vita di ognuno di noi, ponendo le basi di una società “senza fili”, sempre connessa e potenzialmente sempre più “green”. Il loro funzionamento e le loro eccezionali prestazioni sono garantite dall’utilizzo di questi sistemi elettrochimici in cui gli instancabili ioni di litio si muovono avanti e indietro per trasportare la carica e generare energia. Le batterie al litio stanno inoltre consentendo lo sviluppo di auto elettriche che, si spera, potranno garantire autonomie sempre maggiori e l’accumulo di energia da fonti rinnovabili, come l'energia solare e eolica. Le batterie a ioni litio, perciò potrebbero svolgere un ruolo significativo nella lotta ai cambiamenti climatici antropogenici.
Per concludere è utile sottolineare che basandosi sul lavoro di Whittingham, Goodenough e Yoshino, chimici e ricercatori studiano altri elementi che potrebbero essere impiegati per superare le attuali batterie e rendere più vicino un futuro meno dipendente dal petrolio e con minori emissioni di anidride carbonica, il principale gas responsabile del riscaldamento globale.
Prof. Salvatore Daniele, dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi
