Il premio nobel per la Chimica

Il premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino “per lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio”. Con le loro ricerche hanno dato un contributo fondamentale allo sviluppo delle batterie ricaricabili che usiamo tutti i giorni, nei nostri smartphone, nei computer portatili e in migliaia di altri dispositivi di vario genere.

Il litio fu scoperto all’inizio del Diciannovesimo secolo.

 Nei primi anni Settanta del Ventesimo secolo, Stanley Wittingham sviluppò una prima batteria elettrica che utilizzava il litio. Una decina di anni dopo, John Goodenough ne aumentò il potenziale, aprendo la strada a batterie di quella tipologia. A metà degli anni Ottanta, Akira Yoshino riuscì a perfezionare ulteriormente il sistema eliminando l’impiego del litio allo stato puro e sostituirlo con gli ioni di litio, molto più sicuri.

Anche se ancora oggi i mezzi di trasporto a motore più diffusi sono quelli che si alimentano con combustibili fossili, intorno alla metà del secolo scorso divenne evidente che in futuro l’umanità avrebbe dovuto fare affidamento su sistemi alternativi e meno inquinanti per muoversi.

Tra le prime grandi aziende a voler sperimentare soluzioni alternative ci fu Exxon, grande compagnia petrolifera statunitense. L’azienda assunse decine di tecnici, ingegneri e chimici, tra questi era presente anche Whittingham che si interessò sin da subito all’intercalazione degli atomi studiando alcuni materiali superconduttori e valutando come cambia la loro conducibilità elettrica con l’aggiunta di ioni:

L’intercalazione è la carica positiva o negativa di un atomo, a seconda se abbia acquisito o rilasciato elettroni.

E qui entra in scena, dopo svariati tentativi, per la prima volta il litio come elettrodo negativo nella nuova batteria cui stava lavorando Whittingham. Semplificando, in una batteria, gli elettroni dovrebbero fluire dall’elettrodo negativo (anodo) a quello positivo (catodo). L’anodo deve essere quindi costituto da un materiale che favorisca il cedimento degli elettroni e il litio è proprio uno di quelli che lo fa più volentieri.

Whittingham era finalmente riuscito a realizzare una batteria promettente, con grande soddisfazione da parte della compagnia petrolifera che decise di metterla in produzione il prima possibile.

La batteria al litio sviluppata da Whittingham (©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Whittingham annunciò al mondo la sua prima batteria al litio ricaricabile nel 1976. Il risultato era senza precedenti nel settore, ma le batterie riuscivano a immagazzinare ancora quantità ridotte di energia e la sfida di ingrandirle per renderle utilizzabili in un’automobile elettrica era appena cominciata. All’inizio degli anni Ottanta il prezzo del petrolio scese notevolmente, ed Exxon lasciò perdere i suoi progetti, tornando a concentrarsi sui combustibili fossili.

John Goodenough, un ricercatore del Massachusetts Institute of Technology e poi docente presso l’Università di Oxford nel Regno Unito, riprese il lavoro di Whittingham e pensò che fosse necessario migliorare il catodo della batteria per renderla più efficiente. Sostituendo il materiale di cui era composta portò il potenziale della batteria da 2 a 4 volt, rendendola potente il doppio. Goodenough aveva inoltre capito che la batteria poteva essere prodotta scarica, rendendo più sicuro il processo, e caricata in un secondo tempo.

La batteria al litio sviluppata da Goodenough (©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Il ricercatore dovette però fare i conti con lo stesso problema che aveva incontrato Whittingham riguardo lo scarso interesse delle batterie al litio. Le cose andavano diversamente in Giappone, dove all’epoca si concentravano alcune delle più importanti aziende tecnologiche produttrici soprattutto di fotocamere e videocamere. Avevano bisogno di offrire ai loro clienti prodotti la cui carica durasse più a lungo ed erano quindi molto interessate a batterie di nuova generazione.

Akira Yoshino lavorava per l’azienda chimica giapponese Asahi Kasei e capì che il lavoro di Whittingham e Goodenough fosse un buon punto di partenza per arrivare a una batteria al litio ricaricabile da commercializzare. Pensò che la chiave fosse rivedere il funzionamento dell’anodo, visto che Goodenough era già riuscito a migliorare quella del catodo. Sperimentò diversi materiali e infine trovò quello ideale: il coke petrolifero, un tipo di carbone derivato dalla raffinazione del petrolio. Questa soluzione gli permise di utilizzare solamente gli ioni di litio, producendo una batteria molto più stabile e il cui principio è alla base degli accumulatori che usiamo tutti i giorni.

La batteria agli ioni di litio sviluppata da Yoshino (©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Le prime batterie ricaricabili al litio furono messe in vendita nel 1991, rivelandosi efficienti e affidabili. Da allora, chimici e ricercatori studiano altri elementi che potrebbero essere impiegati per superare le attuali batterie, basate sul lavoro di Whittingham, Goodenough e Yoshino. Con le loro scoperte e invenzioni, i tre premi Nobel per la Chimica di quest’anno hanno reso più vicino un futuro meno dipendente dal petrolio e con minori emissioni di anidride carbonica, il principale gas responsabile del riscaldamento globale.