Batterie a ioni di litio. Alla scoperta dei sistemi elettrochimici che alimentano (anche) i nostri cellulari

Si tratta di un dispositivo che accumula energia chimica in fase di carica e fornisce energia elettrica in fase di scarica grazie a delle particolari reazioni chimiche dette ossidoriduzioni. Esistono molte combinazioni di materiali adatti a questo scopo ma le batterie a ioni di litio, si sono affermate grazie a caratteristiche superiori e commercialmente desiderabili quali: capacità, velocità di ricarica, numero di cicli di ricarica ed elevata densità energetica. Le possiamo trovare in smartphone, laptop, attrezzi da lavoro, veicoli elettrici, droni e le più disparate diavolerie elettroniche disponibili sul mercato.

Esploriamo l’architettura di una batteria a ioni di litio

Comprende cinque elementi fondamentali: un elettrodo negativo, un elettrodo positivo, il liquido o gel all’interno del quale sono immersi (elettrolita), una membrana separatrice e il circuito che connette i terminali dei due elettrodi.

Immaginiamo di aver appena finito di ricaricare al 100% la batteria del nostro smartphone e osserviamo i sopracitati componenti. L’elettrodo negativo è fatto di grafite, lo stesso materiale delle matite! La peculiarità di questa forma del carbonio è la struttura a lamelle sovrapposte. Tale struttura ospita gli ioni di litio, i quali sono stati intercalati (inseriti all’interno) grazie alla corrente elettrica immessa nel sistema. L’elettrodo positivo invece è fatto da composti che combinano litio, ossigeno e metallo (tra i più comuni troviamo l’ossido di litio, nichel, manganese, cobalto, il litio ferro fosfato e il litio manganese ossido). Questo materiale funge come punto di arrivo per gli ioni di litio che, in fase di scarica, migrano dal polo negativo a quello positivo liberando gli elettroni che alimentano il circuito. I due elettrodi sono in contatto grazie ad un liquido detto elettrolita che permette agli ioni di litio di spostarsi, comunemente esafluorofosfato di litio, un ottimo trasportatore di carica dall’elevata mobilità ionica. Infine, la membrana separatrice, posta nell’elettrolita, separa i due elettrodi permettendo solamente il passaggio degli ioni di litio, ma non degli elettroni. Se non fosse presente, la batteria sarebbe in corto circuito e non potrebbe erogare energia.

Abbiamo citato diversi composti del litio, quindi è buono ricordare che in generale questi hanno un pessimo carattere quando incontrano l’acqua. Se vi è capitato di vedere video di smartphone prendere fuoco ed esplodere a causa della rottura della batteria ora sapete che il principale responsabile del fenomeno è il litio e i suoi composti, per i quali è sufficiente il contatto con l’umidità dell’aria per dar luogo ad una forte reazione esotermica, ovvero che produce calore, alla quale segue il rilascio di idrogeno, un gas estremamente infiammabile. La ricetta perfetta per un incendio.

Ma per quale ragione il litio si sposta spontaneamente dal polo negativo al positivo producendo energia e non viceversa?

In natura tutti i processi spontanei tendono a passare da uno stato ad alta energia o instabile ad uno stato a bassa energia o stabile. Da questo principio universale non si sfugge e questo vale anche per le reazioni chimiche che avvengono nelle batterie. Durante i miei studi ho scoperto che usare metafore e analogie è un metodo efficace per capire concetti complessi. Per esempio, una batteria carica può essere vista come una diga piena. Se apriamo lo scarico della diga tutti prevediamo intuitivamente che l’acqua fluirà spontaneamente verso il basso. Perché? L’acqua si muove sempre verso il basso per minimizzare il suo potenziale gravitazionale, si muove verso uno stato di bassa energia, stabile.

Analogamente quando colleghiamo i due poli di una batteria carica ad un circuito, le particelle portatrici di carica elettrica ovvero gli elettroni, fluiranno spontaneamente attraverso il circuito dal polo negativo al positivo poiché quest’ultimo si trova più in basso, non di altezza (potenziale gravitazionale) ma di potenziale elettrochimico, innescando la reazione di ossidoriduzione. Se in un periodo di secca vogliamo riempire la diga con l’acqua dal fondo valle dovremmo usare degli strumenti per pomparla a monte consumando energia.

Analogamente quando una batteria è scarica dovremmo consumare dell’energia per spostare nuovamente gli ioni di litio dal polo positivo a quello negativo. Semplice no? Colleghiamo il cellulare alla presa della corrente e il gioco è fatto, ignari del grande torto che stiamo facendo all’universo creando nuova instabilità!

Il lato oscuro dell’industria delle batterie a ioni di litio

Ancoriamoci per un secondo alla realtà e menzioniamo un noto lato oscuro di questa industria, che, se da un lato fornisce una tecnologia in grado di migliorare il futuro di tutti quanti, dall’altro presenta alcune criticità. Il litio è sempre più richiesto ed i produttori sono concentrati in poche aree geografiche . L’estrazione e la lavorazione del minerale richiedono enormi quantità d’acqua e porta ad un impoverimento idrico ed un inquinamento delle zone limitrofe. La maggior parte del cobalto del mondo viene estratto invece dalla Repubblica Democratica del Congo, una regione instabile e tormentata da continue guerre civili dove le miniere di coltan (minerale dal quale si ottiene il cobalto) sono descrivibili più propriamente come veri inferni, dove sfruttamento, mancanza di tutele dei lavoratori e mancanza delle più basilari misure di sicurezza sono la norma.

Il mondo ha un crescente bisogno di energia e le batterie rappresentano uno step cruciale in questa catena. La ricerca sulla nuova generazione di batterie è più attiva che mai e sull’orizzonte si affacciano le batterie a stato solido che promettono di rivoluzionare il panorama energetico, come le batterie a ioni di litio hanno fatto nelle ultime decadi. Questo tipo di batteria usa un elettrolita solido, permettendo di raggiungere densità energetiche ancora superiori con dispositivi più performanti e sicuri. I primi modelli commerciali sono oramai alle porte e chissà, magari fra vent’anni non ricorderemo neanche che il mondo tecnologico era alimentato dalle batterie a ioni di litio.