27 agosto 2017 - Primo contatto

Le batterie del futuro

Nel corso degli anni l'incremento di strumenti tecnologici ha portato ad una produzione sempre più massiccia di batterie elettriche e, nell'ottica di un futuro pulito ed in particolare dello sviluppo di auto elettriche, ci dobbiamo chiedere quali siano gli effetti dell'intero ciclo vitale delle batterie, affinché la riduzione di consumo petrolifero e di emissioni di CO2 non nascondano l'insorgere di problematiche ambientali, sociali e politiche, anziché risolvere quelle già esistenti.

 

Nel mondo portatile-ricaricabile (cellulari, pc, tablet), nel trasporto elettrico (bici e auto elettriche, auto ibride), applicazioni stazionarie (accumulo energetico industriale, fornitura di servizi per la rete elettrica, accumulo energetico da fonti rinnovabili) ed in altri settori (aeronautico e spaziale) il materiale fondamentale per la produzione delle odierne batterie è il litio (Li). La IEA (International Energy Agency) infatti ha previsto un ingente aumento di impiego del litio ed ha dichiarato che da un consumo dell'8%, sul totale estratto, del 2002 siamo passati al 27% nel 2012, su scala mondiale.  Ciò implica che in futuro tale incremento sarà ancor più vertiginoso.

 

Per avere una visione generale dei fatti si deve ricordare che i più grandi giacimenti di sali contenenti il litio sono situati in Bolivia (Lago di Uyuni, 10582 km2), Cile (Lago di Atacama, 3000 km2), Argentina (Salinas Grandes), Cina, Stati Uniti e Australia. Fra le riserve appena citate però, quelle andine, a più di 3000 m slm, sono quelle che contengono un maggior quantitativo di litio; inoltre la Bolivia detiene il 50% delle scorte mondiali. Questi dati hanno già scatenato una silenziosa lotta finanziaria ed industriale col fine di accaparrarsi il maggior numero di riserve possibili; una lotta dunque destinata a spostare gli equilibri mondiali dal Medio Oriente al Sud America.

 

Fra le differenti tipologie di batterie, quelle del tipo litio-ion sono considerate le più sostenibili dal punto di vista ambientale, anche se non completamente prive di componenti tossici. Le batterie agli ioni di litio hanno infatti registrato un minor impatto, sia sul breve sia sul lungo termine, nel caso di esposizione (per la salute) e di effetti sull'ambiente. Di fatto la tossicità del litio è limitata alla reazione da contatto fra il litio e l'ossigeno contenuto nell'aria, ma data la presenza in minime quantità del litio nelle batterie il rischio è limitato. L'aspetto più pericoloso dunque è dovuto alla tossicità ed infiammabilità dell'elettrolita (una miscela costituita da un solvente organico e da un sale di litio), che può causare danni locali alle zone esposte. Tuttavia, mentre altre batterie come il Pb-acido risultano nocive sia per la salute umana sia per l'ambiente a causa della tossicità per accumulo del piombo (Pb), il litio viene facilmente assorbito dalle piante e non arreca danni alla fauna. Come sempre però gli eccessi potrebbero risultare anch'essi dannosi, tanto che, in seguito alla dispersione di milioni di batterie al litio, gli scienziati hanno incoraggiato i governi ad attuare politiche di recupero e riciclaggio adeguate e all'avanguardia.

 

Andiamo ora ad analizzare la struttura e il funzionamento di una batteria litio-ion, per scovare eventuali problemi ambientali e/o socio-economici. La batteria agli ioni di litio è costituita da due collettori di corrente (uno in rame e uno in alluminio), un anodo con struttura principale in carbonio nanostrutturato, un catodo metallico contenente ossigeno, al centro invece vi è una matrice elettrolitica organica "ospite", che consente il passaggio degli ioni di litio dall'anodo al catodo e viceversa, senza che la struttura stessa venga alterata. Per quanto riguarda l'impiego di rame e alluminio, essendo metalli completamente riciclabili e allo stato inerte, non creano alcun danno ambientale; altra nota positiva si ha nei confronti dell'impiego di carbonio, una delle sostanze più diffuse in natura ed utilizzata anch'essa allo stato inerte; non si può dire altrettanto bene della matrice metallica catodica, la quale contiene una percentuale di cobalto che, seppur bassa, ha già causato migliaia di vittime.

 

Il problema del cobalto non risiede nel malfunzionamento della batteria, che, anzi, sembra una delle più efficienti sul mercato, ma nel suo processo estrattivo. Non possiamo dimenticare che la domanda di cobalto sia triplicata negli ultimi cinque anni e si stima che raddoppi di nuovo entro il 2020, questo per l'avvento delle auto elettriche, dato che, per ogni auto elettrica, sono richiesti fino a 15 kg di cobalto, a fronte dei 5-10 g richiesti da uno smartphone.

 

Come può il cobalto aver causato così tante vittime per così pochi grammi?

 

La risposta è tanto semplice quanto terribile. Il cobalto viene estratto in Africa, di cui il 60% in Congo, uno dei Paesi mineralogicamente più ricchi del pianeta ed economicamente più poveri ed impotenti dinanzi alle "richieste" delle grandi potenze coloniali, prima, e delle superpotenze, oggi, come la Cina, che acquisisce circa il 90% del cobalto congolese. Morti e feriti sono all'ordine del giorno, a causa della completa inesistenza di norme di sicurezza e di un sistema di supervisione; inoltre la maggioranza dei lavoratori sono bambini (circa 40 mila, con età di poco superiore ai 7 anni) sfruttati per 12 ore e 2 dollari al giorno, anziché lasciati liberi di frequentare la scuola. L'esposizione diretta ai metalli poi provoca problemi respiratori e mutazioni genetiche, con conseguenti nascite di bambini malformati. Quindi, se questa è la situazione odierna del Congo, è altrettanto chiaro che la produzione in serie di mezzi elettrici non è e non sarà in alcun modo sostenibile, almeno non dal punto di vista sociale.

 

Quale può essere dunque una possibile soluzione alternativa?

 

Per fortuna le soluzioni sembrano esserci e risiedono tutte negli studi dei materiali polimerici organici e delle loro proprietà elettriche e capacitive. Da alcune tesi e da rapporti di sperimentazioni di laboratorio è possibile capire come la strada verso un futuro pulito e socialmente sostenibile non sia un lontano miraggio. Da Harvard abbiamo infatti notizie di una nuova tecnologia “liquida” che consente alle batterie di avere una vita praticamente illimitata, relativamente alla vita del sistema da loro alimentato. Si registra un decadimento dell’1% sulla capacità nominale, ogni 1000 cicli di ricarica, contro un normale decadimento compreso fra il 6 e il 10%. Questo miglioramento è da attribuire a una leggera modifica dell’elettrolita usato nelle batterie litio-ion. Altri vantaggi derivati dalla suddetta modifica, dove pare avere un ruolo determinante l’impiego di acqua distillata, è la completa atossicità e non corrosività, tanto che in caso di eventuali perdite del liquido si possa ripulire la fuoriuscita con un semplice panno da cucina, oltre alla riduzione di costi per imballi e protezione dei materiali circostanti. Ultimo vantaggio, e non di poco conto, è dato dalla proprietà dei liquidi di adattarsi alla forma del recipiente che li contiene. Ciò si traduce in una ottimizzazione spaziale delle auto. L’inconveniente, al momento, è il costo esorbitante di questa tecnologia usata in ambiti ad altissima tecnologia in cui vige un’economia “di guerra”, come la Formula1.

 

Altra lancia spezzata in favore delle batterie elettrolitriche la si deve all’azienda NanoFlowCell che ha sviluppato le prime “batterie a flusso” per il campo automobilistico. Tali batterie sono comodamente ricaricabili con la rete elettrica domestica e hanno un’autonomia elevatissima: le Quantino, i prototipi a batterie di flusso di cui si serve la NanoFlowCell per testare le proprie innovazioni, raggiungono anche i 1000 km con una sola ricarica. Si deve notare come la tecnologia a celle di flusso si adatti bene anche a fonti energetiche variabili come quella eolica e solare, ad oggi di difficile gestione proprio a causa del flusso energetico incostante ed imprevedibile.

 

Grabat Energia invece, società di proprietà di Graphenano, ha ufficialmente dato il via alle batterie ai polimeri di grafene ad elevata densità, con le quali si vuole puntare ad un’autonomia di ben 800 km per ricarica. I vantaggi della batteria in grafene sono una maggiore velocità di ricarica, fino alla riduzione ad un terzo del tempo standard di una ricarica fatta con presa domestica, nonché l’elevata densità di energia per kg di batteria, circa 1000Wh/kg. Questo secondo concetto di batteria ha un ulteriore risvolto positivo, ossia l’intenzione di produrre una struttura univoca, telaio e batteria, costituiti da polimeri di carbonio/grafene, molto probabilmente nanostrutturati, capaci di assolvere sia le normali funzioni strutturali (telaio, cover, involucro...) sia quelle energetiche, immagazzinando l'energia elettrica attraverso le proprietà elettriche e capacitive dei polimeri stessi. Man mano che i materiali polimerici sono stati migliorati e studiati, sono state scoperte e messe a punto molteplici proprietà e combinazioni precedentemente ignote. Di certo una soluzione come quella di eliminare la batteria, costruendo una struttura univoca, porta anche miglioramenti in termini di peso e di durabilità della carica, dato che si avrà a disposizione più spazio per immagazzinarne l'energia. Una soluzione di accumulo di elettricità in componenti strutturali è stata adottata dal prototipo elettrico Lola-Drayson B12/69EV, dove la funzione aerodinamica dei flap di coda è stata accoppiata a quella energetica di stivaggio energetico per ben quattro motori elettrici.

 

Ci auspichiamo dunque che gli studi in tal settore continuino fino a produrre la formula perfetta per l'industria del futuro, ossia a zero impatto, non solo climatico ma anche ambientale e sociale. Il passo, ai più, sembrerà enorme e forse impossibile, ma la storia dell’uomo è fortemente caratterizzata da scoperte scientifiche e rivoluzioni culturali, quindi, anche questa volta, senza quasi accorgercene faremo un ulteriore grande passo verso il domani.

di Rebecca Rossi

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