Sarà la batteria... a battere il petrolio?

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.
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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.
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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 ➝
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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
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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”
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