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Energia portatile e duratura: gli ioni di litio non sono il futuro

Energia portatile e duratura: gli ioni di litio non sono il futuro

Il futuro dell’energia portatile? Dopo le pericolose batterie a ioni di litio le fonti energetiche alternative abbatteranno rischi, costi e inquinamento

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono da tempo parte del nostro quotidiano, fonte di energia necessaria per molteplici impieghi nell’ambito mobile tra smartphone, tablet e computer portatili. Sono oltremodo considerate indispensabili dal mercato in forte crescita della mobilità elettrica, certo rispettoso dell’ambiente benché non siano poche le riserve legate all’enorme produzione delle stesse e il conseguente smaltimento che così ambientalista proprio non è.

Sembravano la soluzione ottimale per sostituire altre fonti di energia portatile come le antiche al nichel-cadmio (NiCd) o quelle a idruro di nichel-metallo (NiMH) e non di meno quelle al piombo, che ancora imperversano per esempio nei gruppi di continuità pronti a erogare corrente in casi d’emergenza.

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BATTERY PACK A IONI DI LITIO, DEL TIPO 9V/3500 mAH

Perché le batterie agli ioni di litio? Per la capacità di offrire anche grandi volumi di energia, la refrattarietà alla cosiddetta “memorizzazione di carica”, tollerando situazioni di carica e scarica anche parziale senza che tale livello venga poi considerato il massimo raggiungibile, abbassandone l’autonomia. Le Li-ion offrono inoltre maggiore longevità, basso peso e operatività a temperature difficili, numerosi cicli senza significativo degrado della capacità.

Un risultato tecnologico certo all’avanguardia ma i retroscena dell’utilizzo di tali batterie sono a dir poco inquietanti, specie quando ‘si va a letto’ con esse. L’anno scorso un imprenditore malese aveva messo in carica lo smartphone sotto il cuscino e dopo essersi addormentato l’apparato è esploso per surriscaldamento. Potrà anche sembrare un gesto sconsiderato ma rimarreste stupiti nello scoprire che non sono pochi coloro che abbandonano lo smartphone sotto il cuscino perché non hanno un comodino, perché attivano la funzione di musica (rilassante) per addormentarsi senza disturbare il sonno altrui o più semplicemente per sbadataggine.

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Qualcosa di simile è accaduto a una quattordicenne kazaka, deceduta per gravi lesioni alla testa mentre un tredicenne asiatico è invece morto folgorato mentre caricava il cellulare in un fast food. In quest’ultimo caso lo smartphone Huawei era collegato alla rete elettrica con un cavo non originale. Andando più indietro nel passato gli incidenti con batterie a ioni di litio restano statisticamente molto bassi ma comunque preoccupanti, come quelli occorsi presso magazzini dove erano stoccate le unità, all’interno di un deposito di bici elettriche che si è incendiato.

Le batterie agli ioni di litio sono presenti negli elettrodomestici portatili, impiegate nei più svariati campi lavorativi all’intero di strumenti e veicoli elettrici anche a quattro ruote, aeroplani e persino navi. Soltanto dopo che un volo cargo UPS è precipitato a causa delle batterie a ioni di litio sono stati presi i primi provvedimenti in merito.

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Problemi ci sono stati anche ai rack di batterie Li-Ion installate sugli aerei

Le Li-ion rilasciano energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica: gli ioni di litio muovono attraverso un elettrolita tra catodo e anodo. Quando la batteria è carica gli ioni di litio caricati positivamente passano attraverso l’elettrolita dall’elettrodo positivo (il catodo) all’anodo (negativo), la corrente trasporta gli elettroni al circuito esterno (vedi immagine sotto). In fase di carica gli ioni si incorporano in una matrice di carbonio. Il catodo e l’anodo sono legati a diversi materiali: per esempio il catodo può essere costituito da ossido di litio cobalto, ossido di litio manganese o fosfato di litio ferro. L’anodo può essere fatto di carbonio, litio metallico, titanio litio o silicio amorfo.

Le batterie agli ioni di litio immagazzinano energia elettrica e di solito contengono un elettrolita infiammabile alla stregua di altri componenti (come separatori di polimeri, vari agenti adesivi negli elettrodi e il materiale anodico come la grafite). È per questo che tali batterie quando sollecitate perché lambite dal fuoco reagiscono diversamente rispetto ad accumulatori al piombo o alle batterie NiMH o NiCD, i cui elettroliti sono a base d’acqua.

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La batteria Li-Ion che esplode o prende fuoco può derivare da difettosità a livello strutturale interno oppure per danni meccanici indotti da cadute, sollecitazione esterna legata a inusuale piegamento, oggetti appuntiti che penetrano la struttura di un’unità (specie se carica), surriscaldamento indotto esternamente (caricando lo smartphone sotto un cuscino) che produce cortocircuito interno, sovraccarico per collegamento con cavi e/o trasformatori non originali.

Quello che accade in tali condizioni è estremamente pericoloso: per qualche secondo la batteria sprigiona tutta la sua energia alla stregua di un petardo che innesca la combustione della polvere pirica. Le conseguenti scintille e drastico aumento della temperatura possono appiccare un incendio. Al di là dell’uso improprio (in rete non mancano video con esempi più o meno stupidamente beceri) la questione può essere legata a errore nell’elettronica, con conseguente fuga termica e incendio. In genere l’ossidazione dell’elettrolito riscalda l’interno della batteria fino a circa 80 gradi Celsius provocando gas e vapore nella cella.

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Smartphone con batteria a ioni di litio esplosa sul dorso

Irreversibile la reazione a catena che si genera una volta raggiunti i 120° gradi centigradi, quando il separatore tra anodo e catodo si scioglie. Ciò provoca un corto circuito e la decomposizione termica del catodo rilasciando ossigeno che combinato con l’energia termica accende i materiali nell’anodo, nel catodo e nell’elettrolita e la temperatura sale anche a 1000° gradi Celsius. Ovviamente maggiori le dimensioni dell’unità di accumulo e più grande il rischio, come per la mobilità elettrica dove sono presenti batterie anche oltre 60 V (note anche alcune esplosioni su vetture elettriche di lusso).

L’ingegnerizzazione delle batterie Li-Ion ha previsto anche la sicurezza volta a impedire eccesso termico: un congegno progettato per ridurre la corrente in surplus quando la batteria si sta caricando o scaricando, nonché un dispositivo d’interruzione del circuito che consente al gas di sfuggire alla batteria se la pressione aumenta improvvisamente, prevenendo l’esplosione. Di fatto qualsiasi dispositivo che contiene batterie al litio può esplodere, quelli più recenti hanno inoltre la tendenza a riscaldarsi più rapidamente che in passato.

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I resti di una sigaretta elettronica dopo l’esplosione

Accumulatori che si ricaricano più velocemente, più piccoli, meno costosi e con capacità di carica sempre più elevata. Abbiamo citato alcuni casi di atipico utilizzo che aumenta il potenziale rischio ma ci sono studi che dimostrano a quali rischi si va incontro anche solo usando la sigaretta elettronica. Dati che riportano come circa 700 persone all’anno si recano al pronto soccorso per lesioni da ustioni o esplosioni associate alle sigarette elettroniche.

I consigli più ovvi nell’uso di un qualsiasi apparato dotato di batterie a ioni di litio saranno anche banali ma non da tutti presi in considerazione. Come evitare l’utilizzo di trasformatori non originali o studiati per altri apparati: non perché il connettore è compatibile significa che lo sia anche il caricabatterie da una parte e la batteria dall’altra. Nel caso in cui si percepisca al tatto la temperatura elevata sconnettere immediatamente il cavo di ricarica e lasciare riposare l’unità, senza intervenire fisicamente in alcun modo.

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Qui le batterie a ioni di litio dell’auto hanno preso fuoco all’interno del garage

Lo sprigionamento di fumo o l’odore di plastica bruciata sono evidenti segnali di elevato pericolo e in tal caso occorre allontanarsi rapidamente onde evitare di restare feriti. Anche nel caso in cui l’ipotetico smartphone abbia preso fuoco e le scintille siano terminate per nessun motivo va bagnato con acqua, dato che l’H2O a contatto col litio potrebbe sprigionare la fuoriuscita di idrogeno. L’ideale sarebbe utilizzare un estintore a polvere adatto a sopprimere il liquido infiammabile, meno efficace quello a CO2.

Le batterie Li-Ion non sono l’unica soluzione per una fonte energetica duratura e a basso costo, sempre che una parte dell’industria non decida di fare cartello impedendo lo sviluppo di valide alternative. Per l’automotive la ricerca non si è fermata al ridurre i potenziali rischi di malfunzionamento ma anche a risolvere la questione peso, aumentando di conseguenza l’autonomia.

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Conseguenze del sovraccarico di una batteria a ioni di litio, fortunatamente inesplosa

Si chiama IMEC ed è uno dei più importanti centri di ricerca sulla nanoelettronica con sede a Leuven, in Belgio. Sfruttando un nuovo elettrolita solido in nano composito viene inserito in forma liquida nella batteria che poi va a solidificarsi: mantenendo una certa elasticità sale il coefficiente di durabilità nel tempo.

Rispetto alle Li-Ion qui l’elettrolita da liquido passa a solido, restando anodo e catodo. In tal modo la densità energetica delle batterie allo stato solido raddoppia da 200 Wh/litro a 400 Wh/litro, ma il traguardo che si prefiggono i ricercatori è quello dei 1000 Wh/litro entro i prossimi anni. Innovazione che oltre a limitare il peso e accumulare più energia abbassa drasticamente i rischi di combustione.

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Imec’s innovative solid state battery technology

Il futuro è evidentemente legato a una terra di mezzo tra liquido e solido, come hanno dimostrato tre chimiche ricercatrici presso l’università di Bologna. La loro batteria si chiama NESSOX: NEw Semi-Solid flow lithium OXygen battery – nuova batteria semi solida a flusso di litio e ossigeno. Nello specifico il flusso di ossigeno e litio garantisce una ricarica immediata grazie alla sostituzione del liquido esausto, alla stregua del cambio dell’olio per un motore a scoppio.

Qui la rivoluzione potrebbe essere ancor più dietro l’angolo, dato che la resa della batteria è dieci volte superiore a qualsiasi accumulatore in commercio, garantirebbe chilometraggi quasi al pari del carburante ma a costi produttivi e peso dell’80% inferiori. Già brevettata, i prototipi sono in fase di sviluppo e secondo le proiezioni disponibili a oggi il prezzo delle NESSOX non sarebbe superiore alle Li-Ion.

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Le geniali ricercatrici dell’Università di Bologna

Ultimo certo non in ordine d’importanza è l’impiego del grafene, scoperto da ricercatori russi nel 2004, materiale composto di atomi di carbonio dalle strabilianti caratteristiche come resistenza teorica tipica del diamante e flessibilità equivalente alla plastica. La ricerca è italo-americana, portata avanti dall’università della Florida e dall’Istituto Italiano di Tecnologia (ITT) che ha sviluppato un prototipo di batteria: l’autonomia è venti volte superiore a quella a ioni di litio di un comune smartphone e ricaricabile in pochi secondi.

Le Li-Ion degradano la resa iniziale dopo circa quattrocento cicli di ricarica durando sempre meno, mentre quelle al grafene non hanno mostrato segni di decadimento dopo trentamila cicli (!). Il primo prototipo è stato presentato al Mobile World Congress di Barcellona nel 2018, l’impatto ambientale è praticamente inesistente mentre il grado di produzione è elevatissimo: basta un grammo di sostanza per sviluppare duemilaseicento metri quadri di fogli di grafene.

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A oggi resta il problema dei costi, che fino a quando non sarà partita la produzione su scala industriale saranno troppo elevati affinché il grafene sia preso in seria considerazione. Tra le prime aziende interessate a produrre batterie al grafene pare ci sia Samsung, mentre restiamo in attesa di conferme sul limitato potenziale esplosivo di questi ultimi ritrovati.

Nel frattempo il nostro quotidiano resta invaso da batterie a ioni di litio per cui vale la pena rispettare poche buone regole di ‘convivenza’ con esse, in primis usare solo prodotti ufficiali e certo evitare di abbandonare il telefono sotto il cuscino.

© 2019, AF Digitale. Tutti i prodotti sono stati provati nelle apposite sale di ascolto e di visione di Energia portatile e duratura: gli ioni di litio non sono il futuro e Energia portatile e duratura: gli ioni di litio non sono il futuro dal team editoriale con sede nel Regno Unito.


 

 

 

 

 

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