Batterie a ioni litio

Nel costante evolversi della tecnologia, le batterie a ioni litio hanno conquistato il centro della scena, rivoluzionando il modo in cui immaginiamo e utilizziamo l’energia. Oggi, esploriamo insieme il mondo affascinante delle batterie a ioni di litio e come stanno plasmando il nostro futuro energetico.

Le batterie a ioni litio sono diventate la spina dorsale di molte delle nostre tecnologie quotidiane, alimentando smartphone, laptop, veicoli elettrici e molto altro. La loro ascesa è attribuibile a una combinazione di efficienza energetica, leggerezza e versatilità, che le rende ideali per una vasta gamma di applicazioni.

In questo articolo, esamineremo da vicino il funzionamento delle batterie a ioni di litio, esplorando le loro applicazioni rivoluzionarie e analizzeremo come stanno influenzando il panorama dell’energia sostenibile.

Nascita delle batterie a ioni litio

Le batterie a ioni litio sono nate nel 1979 e sono state considerate, sin da subito, una vera e propria rivoluzione. Difatti nel 2019 gli scienziati che hanno contribuito allo sviluppo di questa tecnologia, il chimico britannico Stanley Whittingham, il fisico e chimico statunitense John Goodenoughe il chimico giapponese Akira Yoshino, hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica, per aver creato un vero e proprio strumento di cambiamento, che in pochissimo tempo ha completamente stravolto il nostro modo di vivere.

In effetti osservando i dati pubblicati da Bloomberg sembrerebbe che la richiesta per applicazioni per l’energy storage, e la produzione di veicoli elettrici basati su questo tipo di tecnologia sia passata dai 0.5 GW-h del 2010 ai 9.300 GW-h previsti per il 2030.

Ma cerchiamo di comprendere come funzionano questi dispositivi, partiamo anzitutto dal principio di funzionamento della pila Daniell . Come quest’ultima le batterie a ioni Litio sono costituite da un anodo, un catodo un separatore (che evita il contatto tra anodo e catodo) e da una soluzione elettrolitica liquida (generalmente costituita da sali di litio e un carbonato organico che funge da solvente).

Funzionamento delle batterie a ioni litio

Il primo tipo di dispositivo fu proposto dallo scienziato Stanley Whittingham nel 1977 , il quale propose una batteria costituita da un anodo di litio, un separatore e un catodo fatto di TiS₂ (disolfuro di titanio), che però a causa della presenza dell’anodo di litio provocava una serie di problematiche relative alla sicurezza, oltre al fatto che sviluppava un potenziale di soli 2V.

A questo primo dispositivo apportò dei miglioramenti lo scienziato John Goodenough che nel 1980, sostituì il catodo di disolfuro di titanio con un catodo costituito da ossido di cobalto, ed è proprio grazie a questa intuizione che il potenziale di questo dispositivo passò da 2V a 4V.

All’interno di una batteria agli ioni di litio avviene una reazione di ossidoriduzione
La semireazione di riduzione avviene al catodo. In cui l’ossido di cobalto si combina con gli ioni di litio per formare ossido di litio-cobalto LiCoO₂ . La semireazione  in cui il cobalto si riduce da numero di ossidazione +4 a numero di ossidazione +3 è:
CoO₂ + Li ⁺ + e ^– → LiCoO₂

La semireazione di ossidazione avviene all’anodo dove la grafite litiata sotto forma di LiC ₆ dà luogo alla formazione di grafite e ioni litio. La semireazione in cui il litio passa da numero di ossidazione 0 a +1 è:
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e ^–

Pertanto la reazione complessiva è:
LiC₆ + CoO₂ ⇄ C₆ + LiCoO₂
La reazione letta da sinistra a destra corrisponde alla scarica e letta da destra a sinistra corrisponde alla carica

Per ultimo ma non per importanza, lo scienziato Akira Yoshino nel 1985 presentò un modello di batteria che è rimasto più o meno invariato ancora oggi. Akira Yoshino tenendo conto della pericolosità nell’utilizzo dell’anodo di litio, a causa della formazione di dendriti, fenomeni di thermal runway etc. pensò di sostituire quest’ultimo con un petroleum coke, più precisamente un materiale a base di carbonio, ad esempio grafite, in cui venivano intercalati gli ioni litio.

Questa innovazione, pur abbassando la densità energetica della batteria, risolveva una serie di problemi legati alla sicurezza dell’utilizzo di tale dispositivo e difatti nel 1991 fu commercializzata da Sony.