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Nobel per la Chimica 2019 agli inventori della batteria al Litio

I vincitori sono John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino per lo sviluppo di batterie ricaricabili e portatili

di Veronica Nicosia

 

Il premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato ai tre ricercatori che hanno sviluppato la tecnologia della batteria agli ioni di litio aprendo la strada a una società wireless e libera dai carburanti fossili. Grazie alla loro invenzione oggi possiamo portare con noi lettori mp3, smartphone e notebook: tutti dispositivi elettronici ricaricabili. Un altro importante obiettivo raggiunto da questa tecnologia è stato lo sviluppo delle auto elettriche e la possibilità di sfruttare le sorgenti di energia rinnovabile, quali quella solare e l’eolica, immagazzinandola in potenti batterie.

Dal petrolio alle nuove batterie

Il litio è un elemento indicato come metallo nella tavola periodica che ha un solo elettrone nello stato più esterno. Per raggiungere una configurazione stabile, il litio tende a lasciar “andare” il suo unico elettrone, diventando uno ione positivo. A renderlo il miglior materiale per lo sviluppo delle batterie è quindi la sua reattività.

A partire dagli anni Settanta si è sentita la necessità di nuove tecnologie diede un impulso alla ricerca di batterie che fossero in grado di immagazzinare grandi quantità di energia, basate su materiali diversi dal petrolio e stabili. Con la crisi del petrolio, anche le compagnie petrolifere e automobilistiche iniziarono a investire nella ricerca e tra queste c’è la Exxon, dove approdò nel 1972 dall’università di Stanford proprio Whittingham.

Il ricercatore stava studiando nuove tecnologie basate sul fenomeno dell’intercalazione, cioè un processo in cui i materiali si ricaricano quando gli ioni vengono catturati al loro interno. Durante la sua caccia a materiali semiconduttori, quasi per caso Whittingham e colleghi scoprirono che combinando il solfuro di tantalio con gli ioni di potassio si otteneva una interazione che liberava circa 2 volt di energia potenziale elettrica.

Un risultato che era migliore di qualsiasi batteria allora esistente, sia essa al piombo che al nichel-cadmio. Il prototipo di batteria sviluppato alla Exxon aveva del “potenziale” ma andava ancora migliorato. Per questo Whittingham sostituì il tantalio con il titanio, un elemento molto più leggero e dalle proprietà simili.

Perché proprio il litio?

Nelle batterie gli elettroni devono essere liberi di fluire dall’anodo, cioè l’elettrodo carico negativamente, al catodo, l’elettrodo carico positivamente. Per questo motivo era necessario che l’anodo fosse costituito da un materiale che libera facilmente gli elettroni e tra tutti gli elementi quello che cede il suo più “volentieri”.

Con il nuovo prototipo di batteria ricaricabile, dove al posto degli ioni di potassio si utilizzava il litio, Whittingham si preparava a cambiare il mondo. La batteria però era instabile, continuava a esplodere e tra alti costi per la sua realizzazione e il calo del prezzo del petrolio la Exxon perse interesse nella ricerca e tagliò i fondi.

Dal Lincoln Laboratory del Massachusetts Institute of Technology (MIT) arrivò in soccorso John Goodenough, che una volta divenuto professore della Oxford University decise di migliorare il progetto sostituendo il catodo di disolfuro di titanio con un ossido di metallo, in particolare l’ossido di cobalto. Questa intuizione produsse una batteria che generava 4 volt, 2 in più di quella di Whittingham.

Il ruolo del Giappone

Mentre in Occidente il petrolio diventava più economico e si perdeva interesse per questa nuova tecnologia, in Giappone la necessità di batterie leggere e ricaricabili si faceva sempre più insistente con l’invenzione di nuovi dispositivi elettrici come la videocamera, i telefoni cordless e i computer portatili. Per questo motivo Akira Yoshino, ricercatore dell’Asahi Kasei Corporation, portò avanti il lavoro dei due colleghi e realizzò la prima batteria agli ioni di litio stabile e commercializzabile.

Lo scienziato giapponese introdusse un catodo costituito da ossido di litio e cobalto, mentre per l’anodo utilizzò un materiale basato sul carbonio. Yoshino scelse di usare un tipo di carbone che veniva prodotto durante la distillazione del petrolio, detto coke di petrolio o petcoke.

La nuova configurazione ha portato alla realizzazione di una batteria stabile e leggera, in grado di liberare oltre 4 volt, e che è ricaricabile centinaia di volte prima che gli elettrodi vadano incontro a deterioramento. A renderla così stabile fu la sostituzione del litio puro, che tendeva a esplodere, con i sali di litio, che eliminarono questo problema.

Una società wireless e libera dai combustibili fossili

La batteria al litio si è rivelata una tecnologia che ha rivoluzionato il mondo in cui viviamo, rendendolo wireless e aprendo la strada a una società non più schiava dei combustibili fossili. Un altro miglioramento operato negli anni da Goodenough vede la sostituzione dell’ossido di cobalto con i fosfati, un modo per realizzare batterie che fossero più facili da smaltire per l’ambiente.

Se infatti il problema dello smaltimento di queste batterie resta, esse hanno permesso lo sviluppo di tecnologie come le auto elettriche, riducendo così l’emissione di gas serra e particolati, o ancora l’accesso alle energie pulite come quella solare ed eolica, con lo stoccaggio dell’elettricità. Una “semplice” batteria che ha portato benefici per l’umanità e il mondo in cui viviamo.

Nobel per la Chimica 2019: chi sono i vincitori

Johm B. Goodenoug è nato nel 1922 a Jena, in Germania. Dopo il dottorato nel 1952 all’University of Chicago, è stato Virginia H. Cockrell Chair in Ingegneria alla University of Texas di Austin.

M. Stanley Whittingham è nato nel 1941 nel Regno Uniti, si è dottorato a Oxford nel 1968 e poi è stato Distinguished Professor at Binghamton University, State University of New York.

Akira Yoshino è nato nel 1948 a Suita, in Giappone, si è dottorato nel 2005 alla Osaka University ed è stato Honorary Fellow alla Asahi Kasei Corporation di Tokyo e professore alla Meijo University di Nagoya.


Leggo anche: Nobel per la Chimica 2018 al potere dell’evoluzione

Articolo pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5

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