Tre ricercatori che hanno sviluppato una tecnologia al centro dell'era degli smartphone – e della conseguente trasformazione sociale – hanno vinto il Premio Nobel per la chimica 2019. Il lavoro di John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino ha fatto progressi cruciali nelle batterie agli ioni di litio, che immagazzinano grandi quantità di energia in piccole celle di batteria e sono veloci e facili da ricaricare.
Venduti per la prima volta commercialmente nel 1991 da Sony per le sue videocamere, questi tipi di batterie sono buoni per molto più dell'elettronica di consumo portatile. Sono al centro di altre due rivoluzioni tecnologiche con il potere di trasformare la società: la transizione dai motori a combustione interna ai veicoli elettrici e il passaggio da una rete elettrica alimentata da combustibili fossili a generatori di energia rinnovabile che immagazzinano l'elettricità in eccesso nelle batterie per un uso futuro.
Quindi, come funzionano queste batterie? Scienziati e ingegneri hanno trascorso intere carriere cercando di costruire batterie migliori e ci sono ancora misteri che non comprendiamo appieno. Il miglioramento delle batterie richiede che chimici e fisici osservino i cambiamenti a livello atomico, nonché ingegneri meccanici ed elettrici in grado di progettare e assemblare i pacchi batteria che alimentano i dispositivi. Come scienziato dei materiali presso l'Università di Washington e il Pacific Northwest National Lab, il mio lavoro ha contribuito a esplorare nuovi materiali per batterie al litio-aria, batterie al magnesio e, naturalmente, batterie agli ioni di litio.
Consideriamo un giorno nella vita di due elettroni. Chiameremo uno di loro Alex e ha un amico di nome George.
Anatomia della batteria
Alex vive all'interno di una batteria AA alcalina standard, come nella torcia elettrica o nel telecomando. All'interno di una batteria AA, c'è un compartimento pieno di zinco e un altro pieno di ossido di manganese. Ad un'estremità, solo lo zincosi aggrappa debolmente agli elettronicome Alex. Dall'altra parte, l'ossido di manganesetira con forzaelettroni verso se stesso. Nel mezzo, impedendo agli elettroni di andare direttamente da una parte all'altra, c'è un pezzo di carta imbevuto di una soluzione di potassio e acqua, che coesistono come ioni di potassio positivi e ioni idrossido negativi.
Quando la batteria viene inserita in un dispositivo e accesa, il circuito interno del dispositivo è completato. Alex viene tirato fuori dallo zinco, attraverso il circuito e nell'ossido di manganese. Lungo la strada, il suo movimento alimenta il dispositivo, o la lampadina o qualsiasi altra cosa sia collegata alla batteria. Quando Alex se ne va, non può tornare: lo zinco che ha perso un elettrone si lega con l'idrossido per formare ossido di zinco. Questo composto è estremamente stabile e non può essere facilmente riconvertito in zinco.
Dall'altra parte della batteria, l'ossido di manganese guadagna un atomo di ossigeno dall'acqua e lascia dietro di sé ioni idrossido per bilanciare l'idrossido consumato dallo zinco. Una volta che tutti i vicini di Alex hanno lasciato lo zinco e si sono spostati all'ossido di manganese, illa batteria è scaricae deve essere riciclato.
Vantaggi agli ioni di litio
Confrontiamo questo con George, che vive in una batteria agli ioni di litio. Le batterie agli ioni di litio hanno gli stessi elementi costitutivi di base delle celle alcaline AA, con alcune differenze che conferiscono importanti vantaggi.
George vive nella grafite, che è ancora più debole dello zinco nel trattenere gli elettroni. E l'altra parte della sua batteria è l'ossido di litio cobalto, che attira gli elettroni molto più potentemente dell'ossido di manganese – che dà alla sua batteria la capacità di immagazzinare molta più energia nella stessa quantità di spazio di una batteria alcalina. La soluzione che separa la grafite e l'ossido di litio cobalto contiene ioni di litio caricati positivamente, che formano e rompono facilmente i legami chimici quando la batteria viene scaricata e ricaricata.
