Batterie in prima linea nello stoccaggio di energia 

Le batterie sono dispositivi che su richiesta rilasciano l'energia immagazzinata. Mentre le batterie usate quotidianamente generano energia elettrica tramite conversione diretta dell'energia chimica, il concetto di stoccaggio di energia è ben rappresentato dalla "batteria ad acqua" della centrale di pompaggio di Nant de Drance. Situata in altura nelle Alpi svizzere, ha una capacità di stoccaggio di energia elettrica superiore a quella di 400.000 batterie per auto elettriche.

Questa batteria ad acqua funziona sfruttando generatori idroelettrici e due bacini, uno superiore e uno inferiore. Nelle ore di picco, dal bacino che si trova ad altitudine maggiore viene rilasciata l'acqua per generare energia elettrica. Quando si ha una sovraproduzione di energia, l'acqua viene pompata nuovamente in alto e accumulata per un uso successivo. 

La batteria ad acqua, con la sua struttura affascinante, è diversa dalle comuni batterie portatili utilizzate per alimentare gran parte dei dispositivi della moderna vita quotidiana. Le batterie convenzionali sono celle o serie di celle elettrochimiche che producono corrente elettrica. 

Nel settore delle batterie, poche tecnologie sono più importanti delle batterie elettrochimiche in merito al perseguimento della riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Queste batterie alimentano veicoli elettrici, accumulano elettricità generata da pannelli solari e turbine eoliche e stabilizzano la rete elettrica. In queste due ultime applicazioni, le batterie sono fondamentali per potenziare dal punto di vista economico le fonti di energia rinnovabili. 

Dato il peculiare impatto ambientale delle batterie, compresa l'estrazione mineraria, lo smaltimento e l'intero ciclo di vita produttivo richiedono un'analisi approfondita. In questo modo ci si assicura che la transizione energetica non sostituisca una serie di problemi per l'ambiente con problemi di altro tipo ma egualmente dannosi.

Le batterie a celle elettrolitiche sono classificate in tre categorie principali: primarie, secondarie e terziarie, con varie strutture delle celle nell'ambito di queste ampie categorie. L'impiego di diversi metalli ed elettroliti all'interno di queste classificazioni conferisce caratteristiche idonee per svariati utilizzi finali.

Note anche come batterie usa e getta, le batterie a celle primarie non possono essere ricaricate e devono essere smaltite dopo l'uso. Spesso vengono utilizzate in dispositivi portatili quali torce elettriche e altri grandi dispositivi elettronici. Alcuni esempi sono celle a secco, batterie alcaline, celle zinco-carbonio e celle primarie al litio.

Le batterie alcaline sono il tipo più comune di batterie usa e getta. Queste batterie non ricaricabili, che rappresentano la categoria più economica, mantengono una velocità di scarica costante per l'intera vita utile assicurando prestazioni affidabili. Se da un lato le batterie alcaline sono convenienti, dall'altro non rispettano l'ambiente dato che sono monouso.

Le batterie ricaricabili, altrimenti dette batterie secondarie, possono essere ricaricate e riutilizzate più volte. Diversamente dalle batterie primarie, progettate per essere usa e getta, queste batterie utilizzano un potenziale elettrico esterno per invertire la reazione chimica di scarica, consentendo più utilizzi. Queste celle sono prodotte in svariate configurazioni chimiche, tra cui piombo-acido, nichel-cadmio (Ni-Cd), nichel–metallo idruro (Ni-MH) e ioni di litio (Li-ion). Di solito le batterie ricaricabili sono più costose delle batterie primarie e alcune devono essere manipolate con particolare attenzione per evitare il surriscaldamento, potenzialmente in grado di causare incendi o esplosioni.

Le batterie terziarie sono del tipo meno comune. Diversamente dalle batterie primarie e secondarie, le loro celle sono separate dagli altri componenti fino a un attimo prima dell'attivazione. Il componente isolato più di frequente è l'elettrolita.

Le batterie "stand-by" eliminano efficacemente l'eventualità di autoscarica e riducono al minimo la degradazione chimica. Le batterie "stand-by" sono per lo più di tipo termico e vengono utilizzate quasi esclusivamente in applicazioni militari.

Nella parte restante di questo articolo l'attenzione sarà incentrata sulle batterie agli ioni di litio (Li-ion) ricaricabili, che sono il tipo più comune.

Le batterie agli ioni di litio sono il tipo preferito per l'uso in un'ampia gamma di applicazioni grazie alla loro lunga vita utile, all'elevata densità energetica e alle vantaggiose caratteristiche di tensione. Il lungo elenco comprende apparecchi acustici di ridotte dimensioni, telefoni cellulari, computer, biciclette elettriche, veicoli elettrici e persino lo stoccaggio di energia su scala di rete in grande quantità.

In genere le batterie agli ioni di litio utilizzano materiali diversi per anodo (elettrodo negativo) e catodo (elettrodo positivo). L'elettrodo può essere costituito da un qualsiasi materiale conduttivo, compresi metalli, semiconduttori, grafite o polimeri conduttivi.

I materiali dell'elettrodo positivo influiscono sensibilmente su prestazioni, cicli e vita utile delle celle agli ioni di litio. Nell'elettrolita, gli ioni di litio con carica positiva si spostano fra anodo e catodo passando attraverso il separatore, che invece blocca il flusso di elettroni all'interno della batteria.

Sull'anodo, con carica negativa, avviene una reazione di ossidazione con conseguente rilascio di elettroni che si spostano verso la parte esterna del circuito. Nelle batterie agli ioni di litio, come materiale per l'anodo viene utilizzata per lo più una miscela di grafite; una combinazione di grafite naturale estratta da miniere e di grafite sintetica, derivata dal riscaldamento di coke di petrolio. La miscela risultante ha una struttura stratificata, che consente agli ioni di litio di penetrare negli strati durante la carica e di uscire durante la scarica.

Il catodo è l'elettrodo positivo di una cella, su cui avviene una reazione chimica di riduzione. Nelle batterie agli ioni di litio, per il catodo vengono utilizzati svariati materiali, tra cui ossido di litio cobalto, fosfato di litio ferro e ossido di litio nichel manganese cobalto. Questi materiali possono sia accettare gli ioni di litio nella loro struttura cristallina sia espellerli durante i cicli di carica e scarica.

I produttori di batterie agli ioni di litio devono reperire minerali di alta qualità e di eccezionale purezza. Di conseguenza, catodo e anodo sono responsabili di oltre la metà dei costi di produzione delle batterie agli ioni di litio. Inoltre è necessario che le fasi di assemblaggio di catodo, separatore, anodi e collettori di corrente siano precise, per quanto riguarda sia il posizionamento dei singoli strati sia l'applicazione dell'involucro.

Le batterie agli ioni di litio hanno fatto la loro comparsa circa 30 anni fa e da allora hanno fatto registrare una crescita esponenziale.

Ma da più di un secolo esistono batterie ricaricabili con chimiche diverse, quali piombo-acido, Ni-Cd e Ni-MH. Ciascuno di questi tipi ha i propri vantaggi e svantaggi, come riportato nei paragrafi seguenti.

Le batterie piombo-acido hanno fatto la loro comparsa verso la fine del 1800 e sono tuttora largamente in uso. Queste batterie sono economiche e riciclabili e la loro manutenzione non richiede complessi sistemi di gestione delle batterie. Rispetto ad altri tipi, però, sono caratterizzate da una bassa energia specifica e da un numero di cicli limitato. Le batterie piombo-acido sono utilizzate per alimentare sedie a rotelle, golf car, illuminazione di emergenza e auto con motore a combustione interna. Data la presenza di piombo, notoriamente tossico, queste batterie devono essere smaltite in modo professionale al termine della loro vita utile.

Le batterie Ni-Cd sono costituite da elettrodi in ossido idrossido di nichel e cadmio metallico, mentre l'elettrolita è un idrossido di potassio alcalino. Uno dei loro principali vantaggi è la possibilità di essere caricate rapidamente, a cui però si affianca un'elevata velocità di autoscarica. Inoltre anche il cadmio è tossico, come il piombo.

Le batterie Ni-MH presentano numerosi miglioramenti rispetto a quelle Ni-Cd, compresa una densità di carica per volume maggiore del 30% e un'autoscarica molto più lenta. Però impiegano più tempo per caricarsi e sono particolarmente inclini alla degradazione della capacità in caso di ricariche ripetute.

Rispetto alle altre batterie secondarie con chimica diversa, le batterie agli ioni di litio sono un moderno sviluppo ricaricabile. Queste batterie sono caratterizzate da un'incredibile combinazione di densità di potenza ed energia elevata, unitamente a un eccellente rapporto peso/energia rispetto ai tre tipi di batterie precedenti. Le batterie agli ioni di litio sono però estremamente infiammabili, per cui devono essere dotate di un circuito di protezione e devono essere manipolate con cautela.

All'orizzonte si affacciano nuove generazioni di batterie agli ioni di litio avanzate. Ad esempio batterie al litio-zolfo, in cui l'anodo di litio si dissolve e lo zolfo viene trasformato in svariati composti chimici. Anche le batterie a stato solido hanno un certo potenziale, ma questo concetto deve ancora passare dal laboratorio alla fattibilità commerciale.

Nel periodo di grande transizione energetica in cui stiamo vivendo, il futuro delle batterie riguarda tutti noi. Ciò comprende i materiali utilizzati, i luoghi di approvvigionamento ed estrazione dei metalli e la modalità di smaltimento, o preferibilmente di riutilizzo, di questi minerali. Lo sviluppo sostenibile delle batterie deve tenere conto della criticità delle materie prime e riflettere con la dovuta attenzione su approvvigionamento, smaltimento ed eventuale riutilizzo di questi minerali.