IL VEICOLO AD EMISSIONE CONTROLLATA: UNA NECESSITÀ Sarà la batteria... di Priscilla Reale e Bruno Scrosati Nonostante gli accordi internazionali e i continui allarmi sugli effetti devastanti legati al riscaldamento del pianeta, la linea tendenziale di crescita del tasso di CO2 nell’atmosfera e così quella della temperatura terrestre, non mostra segni di inversione, tema già trattato su “Green”. Una larga frazione delle emissioni di anidride carbonica è dovuta agli scarichi delle auto a combustione interna. L’istogramma in basso mostra come le emissioni siano praticamente raddoppiate passando dal 1970 al 2005. Il problema è grave e non può essere risolto con interventi saltuari come l’interruzione del traffico per un giorno alla settimana o con circolazione limitata a targhe alterne. a battere il petrolio? Emissioni di anidride carbonica da motori a combustione di benzina. Le emissioni sono praticamente raddoppiate nel giro di pochi anni. Tratto da A. Madani, Batteries 2006, Parigi. 14 È ormai chiaro come sia imperativo intraprendere azioni correttive al fine di evitare disastri ecologici irreversibili. Tra queste, sembra prioritaria quella diretta a una consistente eliminazione dalle strade di auto a combustione interna, che, con le loro emissioni, contribuiscono al deterioramento dell’ambiente, a favore di auto idealmente a emissione zero o, perlomeno, a emissione controllata. Un veicolo a emissione zero è per definizione elettrico, vale a dire con la sola alimentazione a batteria, unica in grado di assicurare la totale assenza di scarichi inquinanti. È da considerare inoltre che una scelta di questo tipo avrebbe anche una sua logicità in termini di praticità ed economia di esercizio, in quanto il motore elettrico, non soffrendo di limitazioni di Carnot, ha un’efficienza doppia rispetto a quello termico. C’è quindi da chiedersi qua- À IMPROROGABILE PER LA SALVAGUARDIA DELL’AMBIENTE Summary Il continuo e progressivo impoverimento delle risorse petrolifere e il grave inquinamento dovuto all’aumento del contenuto di anidride carbonica nell’atmosfera, richiedono con urgenza un uso di risorse rinnovabili molto più consistente dell’attuale. le sia la ragione per cui l’auto elettrica, pur essendo dotata di maggiore efficienza, silenziosità e sostenibilità di quella a benzina, non sia ancora presente sulle nostre strade. La risposta sta nel fatto che le batterie di alimentazione non sono ancora adeguate per garantire lo sviluppo di autoveicoli con prestazioni se non superiori, perlomeno comparabili a quelle offerte dalle auto a benzina. Un’automobile elettrica di media dimensione alimenta- ta con batterie comuni, quali ad esempio quelle al piombo, non può assicurare lunghi percorsi, ma circa solo un quinto di quelli percorribili con un’automobile a benzina, e il “rifornimento” (cioè la ricarica della batteria) richiede tempi abissali rispetto a quello richiesto per un pieno in stazione di servizio. Come ovvio un’auto di questo tipo non ha sbocchi di mercato ed infatti i veicoli elettrici sono oggi limitati a prototipi dimostrativi in The progressive depletion of oil reservoirs and the pollution caused by the rise in CO2 content in the atmosphere call for an immediate intensification of the use of renewables, along with a dramatic reduction of emissions from automotive vehicles. In spite of international agreements the level of CO2 produced by cars has doubled from 1998 to 2005. Because of that a revolutionary policy must be implemented to bring to the market less polluting vehicles, ideally zero-emission. An obvious solution to the problem would be the use of electricitypowered vehicles. However the technology behind the batteries at this stage does not allow performances comparable to those of traditional cars. Current stateof-the art lead (Pb) batteries provide a range of a few hours and the recharge time is far too long for widespread applications. These limitations have restricted today use to demonstration cars or for very limited public service. A viable compromise is the hybrid vehicle, which can switch between fuel and electrical power. In spite of the obvious environmental advantages this solution bears, much remains to be done to improve it. For instance, lithium batteries would bring a dramatic improvement but they are not yet applicable to cars due to safety reasons. However this seems to be the way forward and results show that there is good hope that these can be safely used in the automotive industry in the near future. “motor shows” o a poche unità per servizi municipali. Considerando che la svolta nel controllo ambientale non può aver luogo con la circolazione di pochi veicoli ecologici ma solo con l’eliminazione dalla strada di diverse centinaia di migliaia di auto inquinanti a favore di quelle a emissione zero, si comprende come questo traguardo non possa essere raggiunto se l’alternativa rimane l’auto elettrica attuale. La sola motivazione ecologica non è sufficiente a so- stenere il mercato; è necessario offrire un prodotto competitivo che soddisfi l’esigenze del consumatore e lo invogli a rinunciare all’automobile convenzionale a favore di quella ecologica. Allo stato attuale non sembra possibile migliorare nel breve termine le prestazioni dell’auto elettrica per portarla ad un mercato appetibile. D’altra parte il deterioramento ambientale ha raggiunto livelli tali da richiedere soluzioni immediate. 15 Quando converrà l’auto elettrica? Evoluzione del mercato mondiale di veicoli ibridi. La produzione è passata da poche unità a oltre trecentomila nel giro di soli 5 anni. Tratto da A. Madani, Batteries 2006, Parigi. Tra queste, la più valida sembra oggi quella fornita dal veicolo ibrido, vale a dire da un’automobile alimentata sia con un motore convenzionale a benzina che da uno innovativo elettrico. Il veicolo ibrido è in grado di passare automaticamente a seconda del tipo e della natura del percorso, da quello a benzina a quello elettrico. Inoltre, la ricarica della batteria non richiede lunghi tempi di sosta come nel caso dell’auto totalmente elettrica, ma avviene in situ mediante conversione di energia elettrica, durante la guida con motore a combustione e di energia cinetica, durante i tempi di frenata. Per tutte queste ragioni l’auto ibrida ha prestazioni su strada del tutto paragonabili a quelle fornite da un’auto a benzina e pertanto può rispondere con successo ai requisiti del mercato. In effetti l’auto ibrida ha raggiunto in pochi anni una produzione di diverse centinaia di migliaia di unità (come mostra l’istogramma qui sotto). C’è ovviamente da precisare che l’auto ibrida non è totalmente ecologica ma lo diviene solo quando opera con motore elettrico. Tuttavia, rispetto a un’automobile a benzina, l’auto ibrida riduce di circa il 37% sia le emissioni di anidride carbonica che il consumo di carburante. È questo un risparmio importante che giustifica l’interesse non solo ecologico ma anche tecnologico, in questo tipo di veicolo. Pulita e silenziosa: un secolo di tentativi per renderla... conveniente e simpatica CASI ESTREMI/CITTÀ DEL MESSICO 16 Un valido CASI ESTREMI/PECHINO candidato: la batteria al litio Tuttavia, anche se l’auto ibrida è oggi un successo commerciale, ci sono ancora margini di miglioramento. Infatti, mentre la parte meccanica appare soddisfacente, rimangono alcuni problemi legati alla batteria di alimentazione del motore elettrico, al momento del tipo nichel-idruri metallici. Questa batteria ha limiti in termini di energia specifica e quindi, sarebbe auspicabile sostituirla con una con contenuto energetico superiore. Un valido candidato è la batteria al litio che, prodotta a livelli di diversi milioni di unità all’anno, domina oggi il mercato della elettronica mobile. È questa una batteria non convenzionale che, nella sua configurazione più comune, è formata da un anodo di grafite, un catodo di un ossido metallico di litio, esempio LiCoO2 e un elettrolita costituito da una soluzione di un sale di litio in una miscela di solventi organici aprotici imbevuta in un setto separatore. Il processo elettromotore è il trasferimento reversibile di ioni litio dall’anodo al catodo (vedi schema qui sotto). Le batterie al litio sono leggere, compatte e operano con una tensione di circa 3,5V con densità di energia intorno ai 180 Wh/kg, cioè tre volte superiori a quella della batteria nichel-idruri metallici. Considerate queste prestazioni, le batterie al litio sono in li- nea di principio ideali per assicurare il progresso dei veicoli ibridi. Sfortunatamente il loro diretto utilizzo nel settore automobilistico non è ancora possibile. Il maggior problema è nella sicurezza operativa: per cause non sempre controllabili o prevedibili, le batterie al litio possono subire fenomeni di decomposizione che portano a surriscaldamenti ed eventualmente a esplosioni, come recentemente accaduto in Giappone dove la batteria di un computer ha preso fuoco nel corso di una conferenza. Un incidente del genere, già grave nel caso citato, non può essere assolutamente contemplato nel settore automobilistico. Pertanto, molti sono gli studi in corso in vari laboratori accademici e industriali, incluso il nostro al Dipartimento di Chimica della Università La Sapienza di Roma, al fine di elevare il grado di sicurezza delle batterie al litio e portarle così a una proficua utilizzazione nel veicolo ibrido. Una delle cause della instabilità delle batterie al litio attualmente disponibili risiede nel fatto che gli elettrodi operano al di fuori del campo di stabilità dell’elettrolita. Anche se la batteria può funzionare grazie alla formazione di film protettivi sugli elettrodi, fenomeni irregolari dovuti a eventi spesso incontrollabili possono portare a rotture dei film stessi e conseguentemente, a effetti termici che compromettono la sicurezza. Schema di batteria al litio. Il processo di carica e scarica prevede il trasferimento reversibile di ioni litio dal catodo (LiMO2 dove M è generalmente Co) all’anodo (grafite), secondo la reazione: ➝ Li (1-x) MO2 + 6Li xC. LiMO2 + 6C ➝ 17 Nuove Li4 Ti5O12 / GPE / LiFePO4 cella litio ione polimerica combinazioni per le batterie al litio Per prevenire incidenti di questo tipo sono state messe a punto nel nostro laboratorio nuove configurazioni di batterie al litio basate su combinazioni elettrodiche che operano totalmente all’interno della finestra di stabilità dell’elettrolita. Così l’elettrodo convenzionale di grafite (che opera intorno ai 50 mV vs. Li, cioè a livelli che sono molto al di fuori della finestra di stabilità) è stato sostituito dal titanato di litio, Li4Ti5O12 che è caratterizzato da un processo elettrochimico bifasico centrato su 1,5V vs. Li, cioè ben all’interno alla finestra di stabilità dell’elettrolita. All’anodo di titanato di litio è stato accoppiato un catodo di litio ferro fosfato, LiFePO4, caratterizzato da un processo bifasico centrato su un valore di 3,5V vs. Li, anche esso nel campo di stabilità. Questa combinazione porta a un nuovo tipo di batteria al litio con tensione dell’ordine dei 2V il cui funzionamento, che prevede il trasferimento reversibile degli ioni litio dal catodo all’anodo, esclude ogni reazione di decomposizione, garantendone così la sicurezza operativa. È da aggiungere che in questa nuova batteria al litio l’elettrolita liquido è stato sostituito con una membrana, in modo da ottenere una configurazione plastica, quasi a stato solido (vedi le figure qui accanto), che contribuisce ad aumentare ulteriormente il grado di affidabilità. Una possibile critica è nel valore della tensione che è circa la metà di quello offerto dalle batterie al litio convenzionali. Tuttavia questo svantaggio è solo apparente in quanto la decrescita della tensione è ampiamente controbilanciata dall’aumento della sicurezza e del calo del costo, due aspetti cruciali per assicurare un uso proficuo della batteria nel settore automobilistico. Va anche tenuto presente che la tensione della batteria nichel-idruri metallici, cioè del sistema elettrochimico attualmente utilizzato nei veicoli ibridi, è dell’ordine dei 1,6V, vale a dire un valore inferiore di quello offerto dalla batteria concepita nel nostro laboratorio. Inoltre il concetto di 18 La combinazione di un catodo a 3,5V ed un anodo a 1,5 V produce una batteria da 2V. Schema di batteria al litio polimerica realizzata al Dipartimento di Chimica dell’Università di Roma La Sapienza. GPE= elettrolita polimerico gelificato. La batteria al litio in configurazione plastica realizzata al Dipartimento di Chimica della Università di Roma La Sapienza. Il concetto è versatile e modulabile: variando la natura e la morfologia degli elettrodi è possibile elevare la tensione e il contenuto in potenza specifica, pur mantenendo inalterato il grado di sicurezza. questa nuova batteria è versatile e può essere sfruttato usando vari tipi di combinazioni elettrodiche in modo da portare a sistemi con tensioni anche più elevate dei 2V finora ottenuti. Oltre a sicurezza e costo, un altro requisito cruciale per batterie per veicoli è un elevato grado di potenza necessario per assicurare gli spunti di accelerazione. Ciò si può ottenere o affiancando alla batteria un elemento di potenza, quale ad esempio un supercapacitore, o modificando opportunamente la morfologia elettrodica della batteria. Passando da configurazioni compatte a Un’auto elettrica che sia “conveniente” Un trasporto collettivo sempre più confortevole, veloce ed ecologico nano-strutture, è possibile accelerare i processi elettrodici, con conseguente innalzamento della densità di potenza. Come dimostrato nel nostro laboratorio, si possono ad esempio preparare i materiali elettrodici in forma di fibre con diametro dell’ordine dei 50-100 nanometri. La fotografia (qui sopra) mostra un caso relativo al materiale catodico LiFePO4. Si nota come il cammino di diffusione dello ione litio nell’interno delle fibre risulti molto ridotto, ciò portando ad aumento della velocità del processo elettrochimico e quindi, della potenza erogabile dalla batteria. Immagine al microscopio a scansione elettronica del materiale elettrodico LiFePO4 preparato in forma di nanofibre con diametro di circa 200 nanometri. La nanostruttura riduce il cammino di diffusione dello ione litio all’interno delle fibre e ciò si riflette in un aumento della velocità del processo elettrochimico. Li+. È ormai chiaro come la riduzione di emissioni di anidride carbonica sia un’esigenza non più procrastinabile per non compromettere definitivamente l’equilibrio del pianeta. Tra le varie azioni da perseguire figura come prioritaria la sostituzione di un gran numero di veicoli inquinanti a combustione interna con veicoli ecologici a emissione controllata. Questo obiettivo può essere efficacemente realizzato immettendo sul mercato un prodotto appetibile per il consumatore. Purtroppo, la soluzione ideale, vale a dire l’automobile elettrica a emissione zero, non soddisfa questi requisiti e la sua diffusione è ancora limitata a pochi prototipi dimostrativi. Molto più promettente è l’automobile ibrida che, pur non assicurando una totale eliminazione di emissioni nocive, contribuisce in buona parte a ridurle. L’elemento caratterizzante di questo veicolo è la batteria di alimentazione del veicolo elettrico che attualmente è del tipo nichelidruri metallici. Questa batteria non è del tutto soddisfacente e l’obiettivo è oggi quello di sostituirla con una batteria al litio, sempre che ne venga assicurata la sicurezza operativa. Attività di ricerca in corso in vari laboratori accademici ed industriali, incluso il nostro al Dipartimento di Chimica dell’Università La Sapienza di Roma, consentono di prevedere che questa condizione verrà presto raggiunta e che le batterie al litio, oltre ad occupare un ruolo predominante nel settore dell’elettronica mobile, potranno presto diventare i generatori di scelta per il veicolo ibrido di nuova generazione. Priscilla Reale e Bruno Scrosati Dipartimento di Chimica, Università di Roma “La Sapienza” 19