Sabbia, sale, ferro, rame, petrolio e litio: questi materiali fondamentali sono letteralmente ciò su cui è costruito il mondo moderno. Senza sabbia per il vetro, dite addio alla nostra internet in fibra ottica. Nessun rame significa nessun cablaggio conduttivo. E un mondo senza litio è un mondo senza batterie ricaricabili.
Per la puntata finale di Hitting the Books per il 2023, ti offriamo un estratto dal fantastico Mondo materiale: le sei materie prime che danno forma alla civiltà moderna di Ed Conway. Un finalista per il Libro aziendale dell’anno del Financial Times e Schroders premio, Mondo materiale accompagna i lettori attraverso gli impatti sismici che queste sei sostanze hanno avuto sulla civiltà umana nel corso della storia, utilizzando un mix magistrale di narrazione narrativa e spiegazioni tecniche chiare. Nell’estratto seguente, Conway spiega come è nata la tecnologia delle batterie agli ioni di litio che attualmente sta alimentando la rivoluzione dei veicoli elettrici.
Grazie mille per aver letto Hitting the Books quest’anno, torneremo con altri dei migliori estratti dai titoli tecnologici nuovi e in arrivo nel gennaio post-CES 2024!
Casa casuale dei pinguini
Estratto da Mondo materiale: le sei materie prime che danno forma alla civiltà moderna di Ed Conway. Pubblicato da Knopf. Copyright © 2023 di Ed Conway. Tutti i diritti riservati.
Una batteria migliore
Il primo ingegnere a utilizzare il litio in una batteria non fu altri che Thomas Edison. Avendo padroneggiato la produzione del calcestruzzo concentrandosi religiosamente sul miglioramento della ricetta e sulla sistematizzazione della sua produzione, cercò di fare più o meno la stessa cosa con le batterie. L’uso di questi dispositivi per immagazzinare energia non era particolarmente nuovo anche quando iniziò a lavorarci all’alba del XX secolo. In effetti, gli albori dell’era elettrica erano alimentati quasi esclusivamente da batterie. Prima dell’invenzione delle dinamo e dei generatori che oggi producono la maggior parte della nostra elettricità, i telegrafi e le prime luci elettriche funzionavano con batterie primitive.
La loro chimica risale ad Alessandro Volta, un italiano che, all’inizio del XIX secolo, aveva scoperto che impilando strati di dischi di zinco e rame separati da cartone imbevuto di salamoia, poteva generare una corrente elettrica, che scorreva da un elettrodo ( in questo caso i dischi metallici) all’altro. La sua pila di elettrodi fu la prima batteria al mondo – una cella voltaica – o come viene ancora talvolta chiamata, una pila (poiché una pila è esattamente quello che era). Questo ci porta alla spinosa questione di come chiamare queste cose. I puristi sostengono che una sola di queste unità, sia che si tratti del primo lavoro di Volta o di quello che trovi nel tuo smartphone, dovrebbe essere chiamata cellula. Una batteria, dicono, è una parola da usare solo per una serie di più celle. Ma oggigiorno la maggior parte delle persone (incluso questo autore) usa le parole in modo intercambiabile.
Mezzo secolo dopo il fisico francese Gaston Planté inventò la prima batteria ricaricabile utilizzando una spirale di elettrodi di piombo bagnati in acido, alloggiati in un contenitore di vetro. Le batterie al piombo, le cui versioni sono ancora utilizzate oggi per aiutare ad avviare i motori delle auto, potevano fornire rapidi picchi di energia, ma la loro densità di energia relativamente bassa significava che non erano particolarmente efficaci nell’immagazzinare energia.
Nel tentativo di migliorare la chimica, Edison iniziò a sperimentare la tavola periodica. Eliminarono il piombo e l’acido solforico e entrarono una miriade di altri ingredienti: rame, cobalto e cadmio, per citare solo alcuni dei Cs. Ci furono molte false partenze e un’importante battaglia sui brevetti lungo il percorso ma alla fine, dopo un decennio di sperimentazione, Edison arrivò a una complessa miscela di nichel e ferro, immersa in una soluzione di idrossido di potassio e confezionata nel miglior acciaio svedese.
“L’unica batteria di accumulo che ha ferro e acciaio nella sua struttura e nei suoi elementi”, si legge nella pubblicità.
Gli esperimenti di Edison sottolinearono almeno una cosa. Sebbene la chimica delle batterie fosse difficile, era certamente possibile migliorare la formula piombo-acido di Planté. Dopotutto, come disse una volta Edison, “Se la Natura avesse voluto utilizzare il piombo nelle batterie per alimentare i veicoli, non le avrebbe realizzate così pesanti”. E se il piombo era un metallo pesante, allora non c’erano dubbi riguardo al metallo più leggero di tutti, l’elemento ottimale per le batterie. Era lì all’estremità opposta della tavola periodica, di fronte al piombo, appena sotto l’idrogeno e l’elio: il litio. Edison aggiunse una spolverata di idrossido di litio alla soluzione elettrolitica della sua batteria, la cosiddetta cella A, e, insieme al potassio presente nel liquido e agli elettrodi di nichel e ferro, ottenne risultati incoraggianti. Il litio ha aumentato la capacità della batteria del 10%, anche se nessuno è riuscito a definire la chimica che si svolge sotto la superficie.
Negli anni successivi, gli scienziati seguirono le orme di Edison e svilupparono altri prodotti chimici per le batterie, tra cui nichel-cadmio e nichel-metallo idruro, che sono la base per la maggior parte delle batterie ricaricabili di consumo, come quelle AA che potresti avere a casa. Tuttavia, hanno faticato a incorporare l’elemento più promettente di tutti. Decennio dopo decennio, un articolo scientifico dopo l’altro ha sottolineato che la batteria definitiva sarebbe basata sulla chimica del litio. Ma fino agli anni ’70 nessuno era riuscito a domare questa sostanza volatile abbastanza da poterla utilizzare in una batteria. Le batterie sono una forma di carburante, anche se elettrochimico piuttosto che fossile. Ciò che avviene all’interno di una batteria è una reazione chimica controllata, un tentativo di incanalare l’energia esplosiva contenuta in questi materiali e trasformarla in corrente elettrica. E nessun ingrediente era più esplosivo del litio.
La prima svolta avvenne negli anni ’70, tra tutti i posti, presso Exxon-Mobil, o come era allora conosciuta, Esso. Di fronte allo shock del prezzo del petrolio, per un periodo il colosso petrolifero ha avuto una delle unità di batterie meglio finanziate del mondo, gestita da alcuni dei chimici più talentuosi del mondo che cercavano di tracciare il futuro dell’azienda in un mondo senza idrocarburi. Tra loro c’era un inglese dalla voce pacata chiamato Stan Whittingham. Ben presto Whittingham ebbe uno di quei momenti Eureka che cambiarono per sempre il mondo delle batterie.
Fino ad allora, uno dei problemi principali che i produttori di batterie dovevano affrontare era che ogni volta che caricavano o scaricavano le batterie, la struttura chimica dei loro elettrodi poteva cambiare in modo irreversibile. Edison aveva cercato per anni di superare questo fenomeno, la cui conseguenza pratica era che le batterie semplicemente non duravano così a lungo. Whittingham ha scoperto come superare questo problema, spostando gli atomi di litio da un elettrodo all’altro senza causare molti danni.
A rischio di far trasalire i chimici che leggono questo articolo, ecco un modo utile per visualizzarlo. Pensa alle batterie come a una serie di due grattacieli, uno dei quali è un palazzo di uffici e l’altro è un condominio. Queste torri rappresentano l’anodo e il catodo: gli elettrodi negativi e positivi. Quando la batteria di uno smartphone ricaricabile o di un’auto elettrica è scarica, ciò significa in termini elettrochimici che ci sono molti atomi di litio nel catodo – nel condominio – che fanno molto poco.
Ma quando la batteria viene caricata, quegli atomi (o, come vengono tecnicamente chiamati, poiché mantengono una carica, ioni) si spostano verso l’altro grattacielo: l’anodo o, in questa analogia, il palazzo degli uffici. Vanno a lavorare. E una batteria completamente carica è quella in cui la struttura dell’anodo è piena zeppa di questi ioni di litio carichi. Quando la batteria viene utilizzata, gli ioni tornano al condominio, generando una corrente lungo il percorso.
Comprendi questo spostamento avanti e indietro tra catodo e anodo e capirai a grandi linee come funzionano le batterie ricaricabili. Questo concetto – l’idea che gli ioni potessero viaggiare attraverso la struttura cristallina di un elettrodo per annidarsi nella struttura cristallina di un altro – fu l’intuizione di Whittingham. La chiamò intercalazione, ed è ancora la base del funzionamento delle batterie oggi. Whittingham mise in pratica la teoria e creò la prima batteria al litio ricaricabile al mondo. Era solo una piccola cosa – una batteria grande quanto una moneta progettata per l’uso negli orologi – ma era un inizio. Per chilogrammo di peso (o meglio, date le sue dimensioni, per grammo), la sua batteria poteva contenere fino a 15 volte la carica elettrica di una batteria al piombo-acido. Ma ogni volta che Whittingham tentava di realizzare una batteria più grande di una piccola cella a bottone, prendeva fuoco. Nel tentativo di domare la reattività intrinseca del litio, lo aveva legato con l’alluminio, ma questo non era sufficiente per domarlo del tutto. Quindi la batteria di Whittingham rimase una sorta di curiosità fino al decennio successivo, quando i ricercatori che lavoravano nel Regno Unito e in Giappone finalmente decifrarono il codice.
La figura chiave qui è un uomo straordinario chiamato John B. Goodenough, un fisico americano che, guarda caso, nacque a Jena, la città tedesca dove Otto Schott e Carl Zeiss perfezionarono per primi la lavorazione tecnica del vetro. Dopo aver studiato a Yale, Chicago e al Massachusetts Institute of Technology, Goodenough si ritrovò infine a capo del laboratorio di chimica inorganica dell’Università di Oxford tra la fine degli anni ’70 e l’inizio degli anni ’80, dove giocò un ruolo chiave nella scoperta delle batterie. Tra i risultati del suo team – commemorati oggi in una targa blu all’esterno del laboratorio – c’era la scoperta della ricetta ottimale per il catodo (quel grattacielo dell’appartamento) in una batteria agli ioni di litio. Il materiale in questione era l’ossido di litio cobalto, un composto che migliorava la sicurezza e la capacità di queste batterie, fornendo loro una matrice catodica stabile in cui potevano annidarsi gli ioni di litio. Non che si potessero escludere esplosioni di batterie, ma almeno non erano più inevitabili.
Gli ultimi passi intellettuali avvennero qualche anno dopo in Giappone, dove un ricercatore chiamato Akira Yoshino perfezionò gli altri ingredienti. Ha abbinato il catodo di ossido di litio cobalto di Goodenough con un anodo realizzato con un particolare tipo di grafite – proprio quella varietà che ancora oggi ricavano dal coke ad aghi prodotto nella raffineria di Humber – e la combinazione ha funzionato brillantemente. Gli ioni di litio si spostavano in modo sicuro e fluido da un lato all’altro mentre caricava e scaricava la batteria. Ha anche scoperto il modo migliore per unire questi due elettrodi: incollando i materiali su fogli sottilissimi e avvolgendoli insieme in un contenitore metallico, separato da una sottile membrana. Questo colpo da maestro finale – che significava che se la batteria avesse cominciato a surriscaldarsi il separatore si sarebbe sciolto, contribuendo a prevenire qualsiasi esplosione – ha evocato anche quelle prime celle create in Francia da Gaston Planté. La batteria ricaricabile nasce come una spirale di metallo compressa in un contenitore; dopo più di un secolo di sperimentazione e una completa trasformazione dei materiali, è maturata più o meno nella stessa forma.
Ma ci vorranno ancora alcuni anni prima che queste batterie arrivino nelle mani dei consumatori, e ciò avverrebbe molto lontano dai laboratori della Esso o dai laboratori di chimica di Oxford. L’azienda di elettronica giapponese Sony era alla ricerca di una batteria migliore per alimentare le sue videocamere e si è imbattuta nei progetti elaborati da Goodenough e modificati da Yoshino. Adattando questi piani e aggiungendo le proprie peculiarità, nel 1992 ha creato la prima batteria agli ioni di litio di produzione: un alimentatore opzionale per alcuni dei suoi modelli Handycam. Questi pacchi erano un terzo più piccoli e più leggeri delle batterie standard al nichel-metallo idruro, ma avevano una capacità ancora maggiore. Negli anni successivi, le batterie agli ioni di litio si sono gradualmente diffuse in tutti i tipi di dispositivi, ma è stato solo con l’avvento degli smartphone che hanno trovato la loro prima vera vocazione. Questi dispositivi, con i loro circuiti, i loro semiconduttori, i loro chip modem e display luminosi, sono incredibilmente assetati di energia e richiedono la più potente di tutte le batterie. Oggi quasi tutti gli smartphone funzionano con batterie derivate dalle scoperte di Whittingham, Goodenough e Yoshino. Il trio ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2019.
Il fatto che questa invenzione – prima prototipata in America e poi sviluppata principalmente in Inghilterra – sia stata prodotta in serie solo in Giappone è uno di quegli argomenti che causa ancora frustrazione nel mondo anglofono. Perché, quando così tanti progressi intellettuali nella progettazione delle batterie sono avvenuti in Europa e nelle Americhe, la produzione è sempre stata dominata dall’Asia? La risposta breve è stata questa Il Giappone aveva un mercato fiorente per la produzione di prodotti elettronici – inizialmente videocamere e walkman – che necessitavano di batterie ad alta densità.
Con il passare degli anni ’90 e 2000, le batterie agli ioni di litio sono diventate un componente essenziale del mondo elettronico, nei computer portatili, negli smartphone e, infine, nelle auto elettriche. Gli smartphone non sarebbero potuti esistere senza gli straordinari chip di silicio al loro interno, che alimentano i circuiti, ospitano le unità di elaborazione e forniscono spazio di memoria, per non parlare dei sensori ottici per la fotocamera. Ma nessuno di questi apparecchi sarebbe stato pratico senza batterie leggere e potenti con una densità energetica molto maggiore rispetto ai loro predecessori.
Tutto questo è il motivo per cui la domanda di litio ha iniziato a superare la nostra capacità di estrarlo dalla terra. E a differenza del rame o del ferro, che produciamo da molti secoli di esperienza, l’industria del litio è ancora agli inizi. Fino a poco tempo fa le miniere erano poche e le piscine del Salar de Atacama erano ancora relativamente piccole. Oggi sono abbastanza grandi da essere facilmente visibili dallo spazio, una gigantesca tavolozza di colori pastello nel bel mezzo del deserto.
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