Litio, l’oro bianco che muove il mondo

Smartphones, auto ibride ed elettriche, computer portatili e qualsivoglia oggetto elettronico wireless, hanno in comune un singolo componente: una batteria a ioni di litio. Il litio è a tutti gli effetti la linfa vitale delle nostre protesi in silicio. Esso permette, grazie alle sue molteplici caratteristiche, di alimentare un’infinità di dispositivi.

All’interno della discussione sulla transizione ecologica, sull’abbandono di fonti di energia fossili e di auto a combustione interna non si può distogliere lo sguardo dal fulcro di questo tema: la capacità di accumulare energia ed erogarla on demand. 

La batteria (più propriamente, accumulatore) a ioni di litio fu sviluppata verso gli anni ’70 del secolo scorso dai Premi Nobel per la chimica J. Goodenough, S. Whittingham e A. Yoshino, ma vide la sua commercializzazione solo nel 1991 per opera di Sony-Asahi Kasei. 

Da allora, le batterie a ioni di litio hanno rivoluzionato non soltanto il mondo dell’elettronica portatile, ma anche del settore automobilistico e aerospaziale permettendoci, grazie a un continuo lavoro di perfezionamento, di ottenere autonomia e sicurezza di utilizzo sempre maggiore.

Proviamo insieme a scoprire il funzionamento di queste magiche batterie, cosa le renda così vitali e altrettanto preziose, e come imparare a riciclarle possa rivelarsi fondamentale per ridurre l’impatto sul Pianeta.

Batterie a ioni di litio: infinito potere cosmico in un minuscolo spazio vitale

Molto schematicamente, un accumulatore a ioni di litio è composto da un elettrodo positivo e uno negativo (i cosiddetti catodo e anodo), da un separatore, un elettrolita e un rivestimento plastico o metallico. 

L’anodo ha una composizione carboniosa in grafite, ed è standard, mentre il catodo è composto da litio, alluminio e da un altro elemento (cobalto, manganese, ferro) in funzione delle caratteristiche desiderate per la batteria.

L’elettrolita è una soluzione composta da sali di litio in un solvente organico e ha lo scopo di veicolare gli ioni da un polo all’altro. A causa della sua infiammabilità, elettroliti solidi sono oggetto di studio.

Il separatore, infine, è un materiale poroso che ha lo scopo di impedire il contatto diretto tra l’elettrodo positivo e negativo, che provocherebbe un cortocircuito.

In sostanza, le batterie a ioni di litio funzionano per un meccanismo detto “di intercalazione”. Durante la fase di carica, gli ioni di litio si spostano dal catodo (polo positivo) all’anodo (polo negativo). La grafite presente nell’anodo in rame andrà ad accumulare gli ioni di litio (da qui il termine “accumulatore”), che si intercaleranno nella sua struttura molecolare.

In fase di scarica, gli ioni torneranno spontaneamente verso il polo positivo in alluminio seguendo un fenomeno opposto al precedente (dunque di de-intercalazione), generando corrente elettrica.

Schema di funzionamento di una batteria a ioni di litio
Schema di funzionamento di una batteria a ioni di litio. © Fonte: Fauzan, Ir Ts Dr Mohd Faizal.

Le mille versioni delle batterie a ioni di litio

La composizione chimica del catodo delle batterie a ioni di litio ha un ruolo chiave nel definire aspetti come la tensione di funzionamento, la densità energetica e il numero di cicli di carica. Per questo si valutano attentamente tutte le possibili opzioni affinché si abbia sempre un buon rapporto prestazione-costo produttivo. 

Tra le composizioni più comuni troviamo la LCO (“cobalt lithium oxide”) presente nella maggior parte dell’elettronica portatile e in alcune auto elettriche sportive come la Tesla Roadster.

Abbiamo poi la LFP (“lithium iron phosphate”), che presenta non solo eccezionali livelli di sicurezza e stabilità termica, ma anche uno straordinario rapporto di corrente prodotta su grammo (160 mAh/g). 

Ad oggi, la NMC (“lithium nickel manganese cobalt oxide”) rappresenta il sistema a ioni di litio più efficace, al punto da aver catturato l’attenzione di numerosi produttori di auto elettriche, tra cui BMW, Nissan e altri per le sue alte prestazioni e affidabilità. Proprio nel tema della mobilità elettrica si gioca una delle partite più importanti.

Il ritorno al futuro del trasporto elettrico

Sembrerà strano, ma la storia delle automobili elettriche è antica tanto quanto quella delle automobili a combustione interna. Nei primi anni del diciannovesimo secolo vi erano tre sistemi di propulsione in diretta competizione l’uno con l’altro: benzina, elettrico e vapore. 

Nel 1910, negli Stati Uniti si attestavano almeno tremila unità di automobili elettriche. Tuttavia, nell’arco di appena quarant’anni vi furono numerosi fattori che contribuirono all’inesorabile declino della locomozione elettrica su ruota. 

La scoperta di massicci giacimenti di petrolio in Texas fece crollare drasticamente il costo della benzina e di tutti i suoi derivati. Questo, unito al perfezionamento della catena di montaggio da parte di Henry Ford, andò a pressoché dimezzare il costo di un’auto a benzina rispetto a quella elettrica. 

Infine, la realizzazione di un sistema autostradale su larga scala che necessitava di auto a grande autonomia, fu il chiodo sulla bara per le auto a emissione zero che sparirono rapidamente dal mercato statunitense e (nel giro di qualche anno) da quello di tutto il mondo. 

I primi, timidi, accenni a un ritorno verso la mobilità elettrica si ebbero a partire dagli anni ’60 e da allora, insieme a una sempre maggiore consapevolezza degli effetti delle emissioni antropiche sul Pianeta, si è tornati a investire in questa tecnologia.

Ad oggi vi sono almeno nove milioni di veicoli elettrici sulle strade del mondo (nel 2004 erano appena 165.000), con un chiaro e costante aumento.

Il costo nascosto di una transizione elettrica

Se da un lato la transizione alla mobilità elettrica gioverebbe non di poco alla salute dei nostri polmoni, andando a ridurre il livello di CO2 proveniente dalle automobili nei centri cittadini, dall’altro comporterebbe un inevitabile aumento nella richiesta energetica.

A questo sembrerebbero averci già pensato gli Stati Uniti, che stimano un incremento del 35% del fabbisogno energetico nel Paese entro il 2030 a fronte della necessità di ricaricare i veicoli elettrici. Tristemente, la produzione energetica dei principali Paesi mondiali risiede saldamente sulla combustione di carbon fossile. La Cina, per esempio, basa il 45% della propria fornitura energetica su di esso, mentre gli Stati Uniti il 14%. 

Ciò significherebbe che, a meno di utilizzare fonti energetiche rinnovabili, o parzialmente rinnovabili come il nucleare, una riduzione della CO2 nei centri urbani a causa della mobilità elettrica comporterebbe un inevitabile incremento delle emissioni a livello globale. 

Un prodotto che parla mille lingue

Alla necessità di costruire una rete energetica solida, rinnovabile ed economicamente sostenibile, si aggiunge un altrettanto importante argomento: la reperibilità dei materiali necessari per realizzare nuove batterie. 

Alla realizzazione di una singola batteria a ioni di litio partecipano quattro continenti e oltre trentadue Paesi, tra cui Australia, Cina, Russia, Chile, Argentina e Repubblica Democratica del Congo, giusto per menzionarne alcuni. 

È bene menzionare vi sia una marcata differenza tra produzione e riserve minerarie poiché molti Paesi, sebbene non direttamente coinvolti nel processo estrattivo del materiale, risultano poi chiave in fase di rifinitura e commercio dello stesso. 

Ad esempio, l’Australia produce quasi il 55% del fabbisogno globale di litio, mentre Cile possiede il 51% delle riserve minerarie. La Cina primeggia nell’export di grafite (67% della produzione globale) ed è al secondo posto per produzione di manganese (superata solo dal Sud Africa con il 33%). La Repubblica Democratica del Congo rappresenta il maggior produttore di cobalto (72%) e possiede il 51% delle riserve globali.

Tutto questo senza porre in considerazione l’aspetto umanitario di un’industria mineraria su così vasta scala: non sono insoliti episodi di violenza sui minatori, la totale abnegazione di diritti basilari, l’impiego di lavoro infantile.

Vista aerea di una miniera di cobalto in RD del Congo
Vista aerea di una miniera di cobalto a cielo aperto nella Repubblica Democratica del Congo. © Fonte: bloomberg.com

Riciclare le batterie al litio fa bene al Pianeta (e al portafoglio)

Una fornitura così diversificata per territori e tipi di governo fa sì che i prezzi per le singole materie prime non siano mai fissi nel tempo, ma soggetti a cambi repentini negli equilibri di potere. Ne è un esempio lampante la Repubblica Democratica del Congo, dove la scoperta di cobalto nell’area del Kolwezi ha portato a forti tensioni sociali e al profitto di pochi, a scapito di molti.

Una (parziale) soluzione al problema si ha dal corretto riciclo delle stesse. Il riciclaggio delle batterie a ioni di litio provenienti da auto elettriche si orienta su più campi:

  • Reuse: le batterie “esauste” o non ulteriormente impiegabili a causa della ridotta efficienza di accumulo possono assistere a una nuova vita come sistemi di accumulo energetico a livello abitativo o industriale.
  • Remanufacture: moduli o singole celle energetiche che presentano livelli di degradazione sufficientemente ridotti possono essere impiegati nuovamente nella realizzazione di nuovi battery pack.
  • Recycling: una serie di processi industriali che coinvolgono sia l’intervento umano che robotico possono portare al recupero parziale, o virtualmente totale, degli elementi che compongono una singola batteria a ioni di litio. 

Ciascuno di questi tre processi, a suo modo, contribuisce non solo a un significativo abbassamento nel costo produttivo di questi accumulatori, ma va a ridurre la dipendenza strategica da quei Paesi precedentemente menzionati, risultando in una fornitura globale stabile.

Inoltre, l’istituzione di agenzie come la “World Economic Forum and Eurasian Resources Group” permette di stabilire delle solide relazioni internazionali volte a gestire la situazione di instabilità politica dei singoli Paesi.

Se dunque la prospettiva di un futuro elettrico per la mobilità si fa sempre più tangibile e sostenuta, allora diviene fondamentale stabilire delle solide strategie di mercato che ne riducano il peso commerciale, oltre che ambientale.

Fonti

Transizione precaria: uno studio sulla mortalità degli ex-minatori del Sud Africa [eng]

Michael Di Maio

Laureato in Scienze Biologiche presso l'Università degli Studi di Ferrara e studente magistrale in Molecular and Cell Biology presso l'Alma Mater Studiorum di Bologna. Profondamente innamorato della Scienza in tutte le sue diramazioni, di musica elettronica e cyberpunk.

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