Il Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato congiuntamente a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino per lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio. Goodenough, nato a Jena (Germania), nel 1922, è il Nobel più "maturo" tra quelli premiati finora: ha 97 anni ed è ancora attivo all'Università del Texas ad Austin (USA). Whittingham è affiliato alla Binghamton University, parte della State University of New York, USA. Yoshino è membro onorario della Asahi Kasei Corporation, Tokyo, e Professore alla Japan Meijo University di Nagoya, Giappone.
Quello di quest'anno è un riconoscimento pop (perché premia un risultato che ha influenzato prodotti di largo consumo), ampiamente atteso e dalla forte connotazione "verde". Le batterie agli ioni di litio, usate anche nei veicoli elettrici, permettono infatti di accumulare grandi quantitativi di energia ottenuti da fonti rinnovabili, come Sole e vento, e saranno sempre più sfruttate in una società che vuole allontanarsi dalla dipendenza da combustibili fossili.
Nella sua originale accezione, il Nobel premia le scoperte scientifiche che hanno portato i maggiori benefici all'umanità. Quelli recati dalle batterie agli ioni di litio sono molto tangibili. Queste batterie a basso peso, ricaricabili e di lunga durata alimentano l'elettronica portatile di pacemaker e di computer e cellulari che usiamo per lavorare, comunicare e accedere alla conoscenza. Da quando sono approdate sul mercato, nel 1991, hanno rivoluzionato le nostre vite, perché possono essere ricaricate centinaia di volte prima che si degradino e hanno posto le basi di una "civiltà wireless".
Il litio è un metallo che ha un solo elettrone di valenza (cioè impegnato per formare legami) e che ha una forte tendenza a cederlo ad altri atomi, per ottenere una configurazione più stabile. Il suo punto debole - la reattività - è anche la base della sua grande potenzialità: nel pieno della crisi petrolifera degli anni '70 e nel tentativo di contribuire allo sviluppo di nuove forme di energia, Stanley Whittingham sfruttò la reattività del litio per sviluppare la prima batteria funzionante basata su questo elemento. Tuttavia la batteria, così com'era, era assai poco pratica: per l'elevata reattività del litio metallico tendeva ad esplodere facilmente.
Negli anni '80, John Goodenough raddoppiò il potenziale delle batterie al litio, creando le condizioni per dispositivi molto più utili e potenti. Akira Yoshino ha invece il merito di aver eliminato il litio in forma pura dalla batteria, basandone il funzionamento interamente sui più sicuri ioni di litio. Ciò ha reso le batterie utilizzabili su larga scala e ne ha aperto il mercato.
Cos’è il litio
Il litio è un elemento chimico spesso indicato con il simbolo Li e con il numero atomico 3. Esso fa parte del gruppo dei metalli alcalini e nella sua forma pura è un metallo dal colore argenteo. Al contatto con l’aria oppure con l’acqua esso si ossida molto velocemente. Tra gli elementi solidi esso rappresenta il metallo più leggere ed è usato principalmente nelle costruzioni delle leghe finalizzate alla costruzione dei condotti per la conduzione del calore. Altresì il litio trova un larghissimo impiego nelle batterie, nonché in alcuni farmaci che hanno effetto sull’umore della persona (antipsicotici). Il litio è uno dei metalli a reattività molto elevata, motivo per cui non si trova in stato metallico in natura. Nonostante questo, esso resta comunque meno reattivo rispetto al sodio e per via della relazione con il magnesio ha molte proprietà simili a quest’ultimo. Non appena viene riscaldato, esso emette una fiamma dal colore cremisi, ma non appena inizia a bruciare molto intensamente, il colore della fiamma diventa di un bianco brillante. Come molti altri è un metallo univalente. Il litio si trova in forme abbondanti nella crosta terrestre e ha una concentrazione di circa 20 mg per 1 kg di crosta. Tuttavia, per ottenerlo è necessario dividerlo dagli altri elementi o composti a cui il litio si lega. In minima parte è presente anche nel granito e in varie salamoie naturali. Oltre alla crosta terreste, il litio è presente anche nell’acqua di mare con una concentrazione abbastanza elevata. I minerali più ricchi di litio, invece, sono il petalite e il spodumene, che contengono delle alte concentrazioni di questo elemento.
Cosa sono gli ioni di litio
Gli ioni di litio sono delle particelle con una carica positiva che possono facilmente entrare in reazione con altri elementi. Sono degli ioni molto piccoli, presenti in due varietà d’isotopi: 6Li e 7Li. Essi prendono parte a una vasta gamma di attività naturali, tra cui la formazione di minerali per precipitazione chimica, il metabolismo e persino lo scambio ionico. In ampia misura attualmente gli ioni di litio vengono utilizzati nella produzione delle apposite batterie. Tali batteria, difatti, possono venire costruite in una vasta gamma di dimensioni e di forme. Sono più leggere rispetto ad altre batterie e offrono anche delle prestazioni migliori. Per questo si pensa che in futuro le batterie a ioni di litio sostituiranno completamente quella a idrogeno.
Cosa sono le batterie agli ioni di litio
Le batterie servono a convertire l’energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione redox (ovvero “ossidoriduzione”, dall’inglese reduction e oxidation), ovvero una reazione chimica in cui gli elettroni vengono trasferiti da una specie chimica a un’altra. Questo trasferimento viene poi utilizzato per alimentare carichi esterni.
La vita, durata ed efficienza delle batterie di litio è spesso superiore a quella delle comuni batterie, e visto che per chiunque utilizza uno smartphone la durata della carica è molto importante, spesso associamo la qualità del cellulare, smartphone o ipad alla qualità della sua batteria.
Ma cosa sono quindi queste batterie agli ioni di litio?
Si tratta di batterie ricaricabili, impiegate tradizionalmente nel campo dell’elettronica applicata ai servizi di comunicazione. Si caratterizzano per la loro leggerezza e compattezza e, appunto, per la possibilità di essere ricaricate velocemente, a differenza delle loro colleghe al nichel (NiCd o NiMH), anche se presentano alcune criticità sia a causa del consumo progressivo cui sono soggette sia nel caso in cui non vengano utilizzate per un determinato periodo di tempo.
Come funzionano e struttura delle batterie al litio
Il funzionamento (ossia la carica e la scarica) delle batterie al litio, la cui struttura è composta da un elettrodo positivo (catodo in litio) collegato a un elettrodo negativo (costituito da un anodo in carbonio), si realizza tramite reazioni chimiche che consentono di scaricare e ricaricare l’energia.
Nonostante falsi miti, che traggono origine dalle prime tipologie di batterie ricaricabili al nichel-cadmio, che necessitano di esaurirsi completamente prima di poter essere correttamente ricaricate, le batterie al litio di oggi presentano meno problemi in caso di ricarica parziale: non perdono, infatti, la capacità di immagazzinare corrente nel caso in cui vengano ricaricate solo parzialmente, non soffrendo quindi del cosiddetto “effetto memoria”, problema invece presente nelle batterie al nichel.
L’anodo: durante la scarica l’anodo, polo negativo, fornisce elettroni al
circuito esterno. Il litio si ossida. In genere è costituito per la maggior
parte di grafite.
Il catodo: durante la scarica il catodo, polo positivo, accetta elettroni
dal circuito esterno. Il litio è soggetto alla reazione di riduzione. È composto
da un ossido di litio. L’intera tipologia della cella prende il nome
dal materiale usato per il catodo.
L’elettrolita: è un conduttore di ioni (particella carica), ma un isolante
per gli elettroni. Separa i due elettrodi e fornisce il mezzo per il trasferimento
degli ioni tra anodo e catodo. Nelle batterie al litio l’elettrolita è
un solvente inorganico contenente sali di litio. Un setto poroso separa
elettricamente i due elettrodi ma permette il transito degli ioni da un
elettrodo all’altro.
Fase di carica: durante la carica l’elettrodo positivo viene ossidato. Gli
ioni Li+ sono sottratti dall’ossido di litio, passano attraverso l’elettrolita
e la membrana e si collocano tra gli strati di grafite dell’elettrodo negativo
con la reazione di riduzione di questo.
Fase di scarica: durante la scarica avviene una ossidazione dell’elettrodo
negativo. Gli ioni Li+ sono strappati da questo e migrano attraverso
l’elettrolita, per installarsi nell’elettrodo positivo. Un numero equivalente
di elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno producendo la corrente utile (per convenzione la corrente è intesa come flusso di cariche
positive, per cui il verso è contrario a quello degli elettroni che sono carichi
negativamente).
Perché scegliere gli ioni di litio
Oltre che nei dispositivi di tipo consumer, le batterie agli ioni di litio stanno giocando un ruolo sempre più importante in ambito Data Center. La ragione fondamentale è che l’avvento dell’Internet of Things (IoT) fa sì che una miriade di dispositivi di elaborazione e di rete siano ormai installati in aree al di fuori del tradizionale perimetro del data center: filiali e uffici domestici, punti vendita, siti industriali, persino aree all’aperto come impianti eolici e solari.
Ovviamente la moltiplicazione e la distribuzione dell’IT, paradossalmente, aumenta i rischi di disservizi, nel caso in cui un componente della catena dovesse accusare problemi, in particolare rispetto alla fonte fondamentale – e talvolta dimenticata – del funzionamento dell’information Technology: la corrente elettrica. Per mettersi al riparo le organizzazioni devono dotarsi di appositi gruppi di continuità (UPS) capaci di alimentare i dispositivi nel caso sopraggiungano questo tipo di problemi.
C’è una tecnologia, che gioca un ruolo chiave per il funzionamento dei Data Center e non solo, che è rimasta sostanzialmente simile a se stessa negli ultimi 40 anni e che ora, per la concomitanza di una serie di fattori (tecnologici e non ), potrebbe conoscere una trasformazione radicale. Stiamo parlando degli UPS e, in particolare, alla modalità di immagazzinamento della energia elettrica, che in tutti questi decenni ha visto la predominanza delle batterie al piombo
Qualcosa, però, sta cambiando nel mondo delle batterie, per effetto degli importanti investimenti che interessano in prima battuta dispositivi come smartphone e automobili elettriche, investimenti destinati ad avere un impatto anche sugli UPS. Che, a loro volta, sono chiamati a rispondere alle nuove richieste degli utenti finali. Tra queste ci sono:
Un ridotto ingombro e peso dell’UPS per consentire un uso dello spazio più efficace e flessibile
Un aumento della disponibilità di storage energetico e la capacità di prevedere i guasti
Una maggiore durata e costi di manutenzione ridotti
Secondo Schneider Electric gli UPS equipaggiati con le batterie agli ioni di litio (Li-ion) hanno ottime possibilità di riuscire a rispondere efficacemente a tutte queste sfide.
Innanzitutto, le batterie agli ioni di litio forniscono più energia rispetto alle batterie piombo-acido(VRLA) con una maggiore densità di potenza. Di conseguenza, gli UPS costruiti con batterie agli ioni di litio occupano solo circa un terzo dello spazio o meno di una soluzione basata su VRLA che fornisce la stessa potenza. Questo minimo ingombro si traduce in una riduzione del fabbisogno di raffreddamento e di una riduzione di peso di almeno due terzi. Ciò significa che i clienti hanno maggiore flessibilità su dove installare i sistemi UPS, senza necessità di mettere in atto costose modifiche agli edifici.
Le batterie agli ioni di litio possono anche sopportare un intervallo di temperatura più ampio rispetto alle batterie VRLA. La regola generale è che la durata della batteria VRLA è ridotta della metà per ogni 10°C di aumento oltre i 25°C. Al contrario, le batterie agli ioni di litio se utilizzate a basse velocità di scarica sono molto meno sensibili alle fluttuazioni di temperatura e possono accettare picchi senza quasi alcun effetto sulla durata della batteria. Nel caso degli UPS, in cui le batterie hanno a che fare con tempi di funzionamento molto brevi e velocità di scarica elevate, esiste un certo grado di sensibilità alle temperature, che risulta comunque inferiore rispetto alle batterie al piombo.
Un terzo vantaggio è che le batterie agli ioni di litio sono sempre dotate di sofisticati sistemi di monitoraggio della batteria (BMS) che forniscono un quadro chiaro del tempo di funzionamento e della salute della batteria. Al contrario, le batterie VRLA fanno essenzialmente affidamento sulla chimica che rende difficile prevedere con precisione il momento del fine vita.
C’è poi un ultimo, fondamentale beneficio delle batterie agli ioni di litio, ossia la loro maggiore aspettativa di vita. In teoria, le batterie VRLA utilizzate nei sistemi UPS hanno un’aspettativa di vita di 10 anni. Tuttavia, proprio a causa della difficoltà di determinare la reale aspettativa di vita, in pratica la maggior parte dei clienti li sostituisce dopo 5 o 6 anni. Al contrario, le batterie agli ioni di litio riescono a durare per più di 10 anni, riducendo i costi delle sostituzioni delle batterie, nonché i rischi di tempi morti o interruzioni.
Accanto ai vantaggi ci sono ovviamente tutta una serie di criticità che possono essere ulteriormente migliorate. Anche perchè i requisiti e le necessità degli UPS sono molto diversi da quelli di un’auto elettrica. Le batterie per auto sono progettate per immagazzinare molta energia in modo che l’auto possa percorrere il maggior numero di chilometri possibile.
Con le batterie UPS, al contrario, la preoccupazione principale non è tanto la durata del tempo di esecuzione tanto quanto la necessità di erogare molta potenza rapidamente per un breve periodo di tempo, di solito solo pochi minuti prima che i generatori di backup entrino in funzione. Per un UPS, inoltre, i clienti non sono certo interessati a un dispositivo che possa accendersi e spegnersi migliaia di volte, dal momento che un UPS entra in funzione solo occasionalmente. Piuttosto, il bisogno è di averne a disposizione uno altamente affidabile e sicuro, con una lunga aspettativa di vita.
In secondo luogo, quello che fa davvero la differenza è avere a disposizione una batteria in grado di fornire un TCO (Total Cost of Ownership) più basso rispetto alle batterie VRLA. Le batterie agli ioni di litio sono già competitive su questo fronte. Certo, potrebbero costare di più al momento dell’acquisto, ma questo aspetto è compensato dalla maggiore vita utile. Non solo: l’ingombro è decisamente più piccolo, riducendo così sia le esigenze di spazio che quelle di raffreddamento, offrendo dunque ulteriori risparmi sui costi.
https://www.iotedge.it/ups/batterie-ioni-di-litio/
10 ottobre 2019
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