"Le batterie del futuro sapranno autoripararsi"
di GIULIANO ALUFFISaranno verdi, leggere, longeve e intelligenti. E avranno la capacità di diagnosticare problemi interni. Lo scienziato Jean-Marie Tarascon, di recente insignito con il premio Balzan, spiega come si evolveranno
«Le batterie del futuro saranno più sostenibili, leggere, longeve e intelligenti: capaci di diagnosticare problemi interni e di autoripararsi». Lo dice Jean-Marie Tarascon, professore al Collège de France per la cattedra di chimica ed energia dello stato solido, lo scienziato che più di tutti – per le sue numerose scoperte, la vasta mole di pubblicazioni e gli oltre 70 brevetti registrati - è impegnato nella sfida di rendere “verdi” le batterie. La sua è una sfida che sarà sempre più attuale visto che, come si prevede, il futuro della mobilità sarà elettrico. Jean-Marie Tarascon è stato recentemente insignito del Premio Balzan nella categoria “Sfide ambientali: scienza dei materiali per le energie rinnovabili”. Tra le motivazioni del riconoscimento: i suoi miglioramenti tecnologici alle batterie agli ioni di litio ne hanno reso possibile l’uso per i veicoli elettrici, …
«Le batterie del futuro saranno più sostenibili, leggere, longeve e intelligenti: capaci di diagnosticare problemi interni e di autoripararsi». Lo dice Jean-Marie Tarascon, professore al Collège de France per la cattedra di chimica ed energia dello stato solido, lo scienziato che più di tutti – per le sue numerose scoperte, la vasta mole di pubblicazioni e gli oltre 70 brevetti registrati - è impegnato nella sfida di rendere “verdi” le batterie. La sua è una sfida che sarà sempre più attuale visto che, come si prevede, il futuro della mobilità sarà elettrico. Jean-Marie Tarascon è stato recentemente insignito del Premio Balzan nella categoria “Sfide ambientali: scienza dei materiali per le energie rinnovabili”. Tra le motivazioni del riconoscimento: i suoi miglioramenti tecnologici alle batterie agli ioni di litio ne hanno reso possibile l’uso per i veicoli elettrici, e il suo contributo per lo sviluppo delle batterie agli ioni di sodio, tecnologia ancora “in progress” e particolarmente rispettosa dell’ambiente.
Perché migliorare le batterie è importante per il pianeta, professor Tarascon?
Perché possiamo ridurre la loro impronta ambientale. All’inizio del ventesimo secolo tutti erano eccitati per i polimeri, con cui si poteva fare di tutti. Un secolo dopo, la plastica è il maggiore inquinante. Oggi siamo tutti eccitati per le batterie agli ioni di litio, però dobbiamo stare attenti: non vogliamo ripetere l’errore fatto con la plastica. Dobbiamo pensare a come riusciremo a riciclare le batterie. Tra i problemi da risolvere c’è quello del cobalto: oggi riciclarlo ancora troppo costoso, costa meno estrarlo dalle miniere. Perciò serve più ricerca.
Tra le sue ricerche per batterie più sostenibili, quali sono quelle che potrebbero avere più impatto?
Oggi lavoro alla progettazione di “batterie LEGO”, che permettono di recuperare e riparare i singoli elementi senza distruggere la batteria. Più in generale, un approccio fondamentale per aiutare il pianeta è progettare materiali migliori, ovvero materiali che contengano elementi di cui c’è abbondanza sul pianeta e che invece riducano il contenuto di elementi più rari o la cui estrazione comporta problemi etici, come nel caso del cobalto nella Repubblica Democratica del Congo. Questo aspetto della sostenibilità è la ragione per cui oggi stiamo sviluppando sia dei sistemi per ridurre sempre di più la necessità di cobalto, che delle alternative alle batterie agli ioni di litio. La più promettente sono le batterie agli ioni di sodio, elemento di cui c’è grande abbondanza.
Ma le batterie agli ioni di sodio hanno una performance paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio?
Hanno una performance inferiore in termini di densità di energia, e da questo punto di vista non competeranno mai con le batterie agli ioni di litio. Quindi probabilmente non le troverai su un veicolo interamente elettrico, per questioni di ridotta autonomia. Ma hanno una potenza maggiore: questo significa che hanno dei tempi di ricarica inferiori alle batterie agli ioni di litio. E oggi c’è un mercato che richiede batterie più potenti. Quindi la maggiore sostenibilità e la maggiore potenza delle batterie agli ioni di sodio può giocare un ruolo importante.
E quali potrebbero essere le applicazioni ideali delle batterie agli ioni di sodio?
I produttori di veicoli elettrici, per ridurre l’impronta della CO2, oggi sviluppano sistemi “ibridi”, che usano ad esempio batterie da 48 volt: qui gli ioni di sodio possono essere molto interessanti e competitivi rispetto ai migliori modelli di batterie agli ioni di litio, come quelle a ricarica superveloce.
La mobilità elettrica è in netto sviluppo. Riusciremo ad avere abbastanza batterie per tutti?
La quantità di carbonato di litio che viene ricavata oggi basterebbe soltanto a convertire metà delle automobili (50 milioni) prodotte ogni anno nel mondo in veicoli elettrici ibridi. I veicoli elettrici non ibridi hanno bisogno di batterie con una potenza molto maggiore, e quindi richiedono più litio: se tutta l’umanità passasse ad auto di questo tipo, in pochi decenni potremmo esaurire le riserve di questo elemento. Per questo oggi la ricerca segue principalmente tre strade: cercare alternative al litio (non è un compito facile: la mia previsione è che le batterie agli ioni di litio dureranno ancora almeno un secolo), facilitare il riciclo del litio, in ottica di economia circolare, e rendere le batterie sempre più longeve, così da ridurre la domanda di batterie nuove.
Come possiamo allungare la vita delle batterie?
Una premessa: il rapporto tra costo e performance delle batterie agli ioni di litio è molto buono, quindi una strada per la sostenibilità è: “Invece di rimpiazzare questo tipo di batterie con qualche tecnologia alternativa, non potremmo renderle sempre più sostenibili?”. Di qui la necessità di renderle più longeve. E così come la medicina aiuta le persone a vivere di più, dobbiamo incorporare nelle batterie dei sistemi di diagnostica intelligente – ad esempio un “imaging” a temperatura - che riescano a individuare in tempo reale i fattori di degradazione della batteria. Il secondo passo è inserire nelle batterie degli “agenti” chimici in grado di intervenire quando e dove opportuno e riparare l’equilibrio elettrochimico della batteria. Su Nature Energy ho pubblicato un recente studio dove, grazie alle fibre ottiche, si fa un passo avanti per la diagnostica delle batterie: per la prima volta si riesce a dare un significato chimico, sulla “salute” della batteria, a un segnale fisico. È come entrare nella “vita privata” della batteria. Oggi le fibre ottiche possono darci informazioni visive sullo stato interno della batteria, un po’ come l’endoscopia per un paziente. Una capacità autodiagnostica sempre più sviluppata sarà cruciale non soltanto per rendere i veicoli elettrici sempre più affidabili, ma anche per facilitare il recupero e il riuso delle batterie. Anche quando una batteria non è più al massimo della sua capacità, e quindi magari non è più adatta all’uso nell’auto elettrica, può essere reimpiegata per altri usi, riducendone l’impatto ambientale.
A proposito di impatto ambientale: tra le tante sue ricerche c’è anche quella degli elettrodi organici, ricavabili da biomasse, e quindi facilmente riciclabili. A che punto è oggi questa tecnologia?
Possiamo ricavare elettrodi dal mais e altri tipi di biomassa. E abbiamo provato che con questo approccio si possono realizzare batterie funzionanti. Ma la questione è la densità di energia: quando lavori con i materiali organici è molto bassa, di due o tre volte inferiore alle batterie che usano composti inorganici per gli elettrodi. Penso che le batterie con elettrodi organici non saranno mai competitive per i veicoli elettrici. Ma potrebbero giocare un ruolo interessante per applicazioni su più larga scala, ad esempio negli accumulatori per reti energetiche, utili ad immagazzinare l’energia raccolta da fonti rinnovabili e intermittenti come il solare o l’eolico.
Perché migliorare le batterie è importante per il pianeta, professor Tarascon?
Perché possiamo ridurre la loro impronta ambientale. All’inizio del ventesimo secolo tutti erano eccitati per i polimeri, con cui si poteva fare di tutti. Un secolo dopo, la plastica è il maggiore inquinante. Oggi siamo tutti eccitati per le batterie agli ioni di litio, però dobbiamo stare attenti: non vogliamo ripetere l’errore fatto con la plastica. Dobbiamo pensare a come riusciremo a riciclare le batterie. Tra i problemi da risolvere c’è quello del cobalto: oggi riciclarlo ancora troppo costoso, costa meno estrarlo dalle miniere. Perciò serve più ricerca.
Tra le sue ricerche per batterie più sostenibili, quali sono quelle che potrebbero avere più impatto?
Oggi lavoro alla progettazione di “batterie LEGO”, che permettono di recuperare e riparare i singoli elementi senza distruggere la batteria. Più in generale, un approccio fondamentale per aiutare il pianeta è progettare materiali migliori, ovvero materiali che contengano elementi di cui c’è abbondanza sul pianeta e che invece riducano il contenuto di elementi più rari o la cui estrazione comporta problemi etici, come nel caso del cobalto nella Repubblica Democratica del Congo. Questo aspetto della sostenibilità è la ragione per cui oggi stiamo sviluppando sia dei sistemi per ridurre sempre di più la necessità di cobalto, che delle alternative alle batterie agli ioni di litio. La più promettente sono le batterie agli ioni di sodio, elemento di cui c’è grande abbondanza.
Ma le batterie agli ioni di sodio hanno una performance paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio?
Hanno una performance inferiore in termini di densità di energia, e da questo punto di vista non competeranno mai con le batterie agli ioni di litio. Quindi probabilmente non le troverai su un veicolo interamente elettrico, per questioni di ridotta autonomia. Ma hanno una potenza maggiore: questo significa che hanno dei tempi di ricarica inferiori alle batterie agli ioni di litio. E oggi c’è un mercato che richiede batterie più potenti. Quindi la maggiore sostenibilità e la maggiore potenza delle batterie agli ioni di sodio può giocare un ruolo importante.
E quali potrebbero essere le applicazioni ideali delle batterie agli ioni di sodio?
I produttori di veicoli elettrici, per ridurre l’impronta della CO2, oggi sviluppano sistemi “ibridi”, che usano ad esempio batterie da 48 volt: qui gli ioni di sodio possono essere molto interessanti e competitivi rispetto ai migliori modelli di batterie agli ioni di litio, come quelle a ricarica superveloce.
La mobilità elettrica è in netto sviluppo. Riusciremo ad avere abbastanza batterie per tutti?
La quantità di carbonato di litio che viene ricavata oggi basterebbe soltanto a convertire metà delle automobili (50 milioni) prodotte ogni anno nel mondo in veicoli elettrici ibridi. I veicoli elettrici non ibridi hanno bisogno di batterie con una potenza molto maggiore, e quindi richiedono più litio: se tutta l’umanità passasse ad auto di questo tipo, in pochi decenni potremmo esaurire le riserve di questo elemento. Per questo oggi la ricerca segue principalmente tre strade: cercare alternative al litio (non è un compito facile: la mia previsione è che le batterie agli ioni di litio dureranno ancora almeno un secolo), facilitare il riciclo del litio, in ottica di economia circolare, e rendere le batterie sempre più longeve, così da ridurre la domanda di batterie nuove.
Come possiamo allungare la vita delle batterie?
Una premessa: il rapporto tra costo e performance delle batterie agli ioni di litio è molto buono, quindi una strada per la sostenibilità è: “Invece di rimpiazzare questo tipo di batterie con qualche tecnologia alternativa, non potremmo renderle sempre più sostenibili?”. Di qui la necessità di renderle più longeve. E così come la medicina aiuta le persone a vivere di più, dobbiamo incorporare nelle batterie dei sistemi di diagnostica intelligente – ad esempio un “imaging” a temperatura - che riescano a individuare in tempo reale i fattori di degradazione della batteria. Il secondo passo è inserire nelle batterie degli “agenti” chimici in grado di intervenire quando e dove opportuno e riparare l’equilibrio elettrochimico della batteria. Su Nature Energy ho pubblicato un recente studio dove, grazie alle fibre ottiche, si fa un passo avanti per la diagnostica delle batterie: per la prima volta si riesce a dare un significato chimico, sulla “salute” della batteria, a un segnale fisico. È come entrare nella “vita privata” della batteria. Oggi le fibre ottiche possono darci informazioni visive sullo stato interno della batteria, un po’ come l’endoscopia per un paziente. Una capacità autodiagnostica sempre più sviluppata sarà cruciale non soltanto per rendere i veicoli elettrici sempre più affidabili, ma anche per facilitare il recupero e il riuso delle batterie. Anche quando una batteria non è più al massimo della sua capacità, e quindi magari non è più adatta all’uso nell’auto elettrica, può essere reimpiegata per altri usi, riducendone l’impatto ambientale.
A proposito di impatto ambientale: tra le tante sue ricerche c’è anche quella degli elettrodi organici, ricavabili da biomasse, e quindi facilmente riciclabili. A che punto è oggi questa tecnologia?
Possiamo ricavare elettrodi dal mais e altri tipi di biomassa. E abbiamo provato che con questo approccio si possono realizzare batterie funzionanti. Ma la questione è la densità di energia: quando lavori con i materiali organici è molto bassa, di due o tre volte inferiore alle batterie che usano composti inorganici per gli elettrodi. Penso che le batterie con elettrodi organici non saranno mai competitive per i veicoli elettrici. Ma potrebbero giocare un ruolo interessante per applicazioni su più larga scala, ad esempio negli accumulatori per reti energetiche, utili ad immagazzinare l’energia raccolta da fonti rinnovabili e intermittenti come il solare o l’eolico.