{"id":12459,"date":"2019-11-19T12:46:01","date_gmt":"2019-11-19T12:46:01","guid":{"rendered":"https:\/\/scienzaegoverno.org\/openpublish_article\/dal-piombo-al-grafene-sviluppi-nella-produzione-di-batterie-per-veicoli-elettrici\/"},"modified":"2019-11-19T12:46:01","modified_gmt":"2019-11-19T12:46:01","slug":"dal-piombo-al-grafene-sviluppi-nella-produzione-di-batterie-per-veicoli-elettrici","status":"publish","type":"openpublish_article","link":"https:\/\/www.scienzaegoverno.org\/?openpublish_article=dal-piombo-al-grafene-sviluppi-nella-produzione-di-batterie-per-veicoli-elettrici","title":{"rendered":"Dal piombo al grafene: sviluppi nella produzione di batterie per veicoli elettrici"},"content":{"rendered":"

Fig.1 (foto da http:\/\/www.fotovoltaicosulweb.it\/guida\/grafene-sfruttato-anche-nel-settore-automobilistico-nascono-le-batterie-per-auto-elettriche.html)<\/p>\n

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Introduzione<\/strong><\/h3>\n

I veicoli elettrici sono in una fase di sensibile crescita a livello internazionale, pur in un mercato ancora contenuto: si calcola che nel mondo, nel 2018, fossero in circolazione complessivamente 5,1 milioni di auto e 460.000 autobus elettrici [1] e che, entro il 2040, il 57% del mercato totale delle auto e l’81% di quello degli autobus saranno elettrici [2].<\/p>\n

In Italia la quota di mercato \u00e8 stata finora molto piccola, circa lo 0,2% rispetto all’intero settore automobilistico, contro una media del 2% in Europa; tuttavia, nell’ultimo anno si \u00e8 registrato nel nostro Paese un buon incremento delle vendite, che nel primo semestre del 2019 sono aumentate del 120% rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente, quando vi erano state 4.129 immatricolazioni. Nel solo mese di giugno, le vendite di vetture 100% elettriche sono state pari a 1.445, contro le 445 del giugno 2018, con un incremento del 224%, che ha portato la quota di mercato allo 0,8%. Ad esse si aggiungono le auto ibride, che, oltre al motore elettrico, ne hanno anche uno termico, a benzina o a gasolio. Secondo l’organizzazione indipendente Transport&Environment,nel 2025 potrebbero essere disponibili 333 modelli elettrici tra le auto 100% elettriche (Battery Elecric Vehicle), auto ibride ricaricabili alla colonnina (Plug-in Battery Electric Vehicle) e auto a idrogeno con celle a combustibile (Fuel-cell Electric Vehicle) [3]. Certo, perch\u00e9 il parco circolante si ampli ulteriormente, \u00e8 importante che vengano superati gli inconvenienti che costituiscono ancora limiti decisivi all’espansione del mercato, tra cui soprattutto l’elevato costo delle batterie, l’autonomia insoddisfacente, i non brevi tempi di ricarica e, in Italia, l’inadeguatezza della rete di ricarica, peraltro caratterizzata da una distribuzione geografica assolutamente non omogenea, con una netta prevalenza al nord del Paese rispetto al sud, nonch\u00e9 la scarsit\u00e0 di appropriati incentivi statali.<\/p>\n

Un ruolo importante nello sviluppo del mercato pu\u00f2 esser dato dall’evoluzione di quelli che sono i componenti fondamentali dei veicoli elettrici, ossia le batterie, di cui nel seguito faremo una breve rassegna, da quelle pi\u00f9 “tradizionali” a quella che negli ultimi tempi \u00e8 al centro dell’attenzione di industrie e centri di ricerca in varie parti del mondo, vale a dire la batteria al grafene.<\/p>\n

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Le batterie “tradizionali”<\/strong><\/h3>\n

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Fig. 2 (foto da https:\/\/auto.everyeye.it\/articoli\/speciale-auto-elettriche-batterie-quanto-costano-come-funzionano-41493.html)<\/p>\n

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La tipologia pi\u00f9 antica di batterie \u00e8 quella al piombo acido, con catodo a base di ossido di piombo, anodo di piombo spugnoso e l’elettrolita formato da una soluzione di acido solforico. Impiegate oggi solo per permettere il funzionamento del motorino di avviamento e mantenere attivo l'impianto elettrico, furono utilizzate in passato anche per alimentare veicoli elettrici: si ricorda, a tale riguardo, la Fiat Panda Elettra, che fu prodotta dal 1990 al 1998, ma ebbe una diffusione modesta, caratterizzata com’era da un’autonomia di soli 100 km e da tempi di ricarica di 8-10 ore, oltre che da un prezzo piuttosto elevato, di oltre venticinque milioni di lire. Inoltre, disponeva di soli due posti, essendo il sedile posteriore e parte del bagagliaio occupati da dieci delle dodici batterie nascoste sotto un pianale [4].Tra i principali inconvenienti delle batterie al piombo si segnalavano la pesantezza, la durata limitata, con la possibilit\u00e0 di effettuare solo trecento cicli di scarica, la lentezza della ricarica, la sensibilit\u00e0 al caldo e al freddo e la corrosivit\u00e0 dell’acido solforico [5].<\/p>\n

Caratteristiche per certi versi pi\u00f9 vantaggiose furono evidenziate dalle batterie al nichel-cadmio, impiegate nella Panda Elettra 2 e costituite da un anodo di cadmio e da un catodo a base di ossido di nichel. Rispetto a quelle al piombo presentavano maggiore leggerezza e densit\u00e0 energetica, tempi di ricarica molto pi\u00f9 brevi ed una durata di ottocento-mille cicli. Vi erano, tuttavia, aspetti negativi rappresentati dall’elevata tossicit\u00e0 del cadmio e dall’effetto memoria, per il quale, se una batteria viene ricaricata pi\u00f9 volte quando non \u00e8 completamente esaurita, cio\u00e8 presenta ancora una certa percentuale di carica, conserva il ricordo della ricarica parziale effettuata, che diventa dunque la nuova capacit\u00e0 massima: ci\u00f2 comporta evidentemente la necessit\u00e0 di ricariche pi\u00f9 frequenti. Altro inconveniente delle batterie Ni-Cd era dato dal fatto che si scaricavano considerevolmente quando non erano utilizzate.
Tali dispositivi furono sostituiti dalle batterie nichel-metallo idruro (NiMH), impiegate in passato nelle auto Toyota Prius [6] e caratterizzate da un catodo in ossido di nichel e un anodo costituito da una terra rara con idrogeno adsorbito alla superficie [7]. Tra gli aspetti positivi si segnalavano una buona densit\u00e0 energetica, tempi di ricarica rapidi e una durata di un migliaio di cicli; tra gli inconvenienti, lo scaricamento automatico, quando non usate, ed il costo piuttosto elevato, dovuto alla composizione in terrerare [5].<\/p>\n

Fra le batterie pi\u00f9 diffuse vi sono oggi quelle al litio, metallo alcalino la cui produzione \u00e8 concentrata per oltre la met\u00e0 della disponibilit\u00e0 mondiale nel triangolo sudamericano compreso tra Bolivia, Cile e Argentina, sebbene vi siano giacimenti interessanti anche in Australia e nell’Europa dell’est, in particolare in Serbia e nella Repubblica Ceca [8]. La tecnologia utilizzata attualmente \u00e8 quellaagli ioni di litio, sviluppata grazie alle ricerche degli scienziatiJohn Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, che hanno ricevuto per questi loro studi il premio Nobel 2019 per la chimica. Tali batterie hanno l’anodo in grafite, un elettrolita a base di sali di litio in solvente organico e il catodo costituito per l’appunto da ioni di litio dispersi in una matrice cristallina di un ossido stabile [7]. Le principali batterie agli ioni di litio utilizzabili in veicoli ibridi ed elettrici sono quelle al: <\/p>\n

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Tra le caratteristiche positive di tali batterie vanno citate l’elevata densit\u00e0 energetica, che le rende pi\u00f9 leggere e compatte rispetto alle precedenti, con la possibilit\u00e0, dunque, di ridurre il peso ed il volume occupato, l’assenza dell’effetto memoria e una bassa velocit\u00e0 di scaricamento automatico; tra gli aspetti negativi si segnalano un degrado progressivo anche in caso di non utilizzo, con una vita utile di pochi anni, ed il rischio di esplosione, in caso di surriscaldamento [6]. A tale riguardo, vanno anche segnalati i rischi derivanti da un eventuale abbandono nell’ambiente di batterie dismesse, per l’elevata infiammabilit\u00e0 del litio e la formazione, a contatto con l’acqua, di miscele esplosive di idrogeno e ossigeno.<\/p>\n

Le tipologie prevalenti di batterie al litio sono quelle con catodo nichel-manganese-cobalto, in un rapporto che fino a poco tempo fa era di 1:1:1, mentre oggi ci si sta orientando verso un 5:3:2, 6:2:2 o, addirittura, 8:1:1. Per quanto riguarda, in particolare, il cobalto, tale significativa riduzione \u00e8 da mettere in relazione al fatto che il metallo, se svolge indubbiamente un ruolo importante migliorando la capacit\u00e0 e la stabilit\u00e0 delle batterie agli ioni di litio, pone tuttavia delle serie problematiche, tanto che alcune importanti case automobilistiche si stanno impegnando nella messa a punto di soluzioni cobalt free<\/em>. Le maggiori criticit\u00e0 sono dovute non tanto al prezzo, che, dopo l’impennata di qualche anno fa, \u00e8 sceso oggi (ottobre 2019) a 36.000$\/t [9] per un’offerta diventata molto superiore alla domanda [10], quanto al considerevole inquinamento nella fase di smaltimento e alla dislocazione delle riserve; queste sono situate, infatti, per il 60% nella Repubblica Democratica del Congo, un paese politicamente instabile e nel quale la violazione dei diritti umani e lo sfruttamento del lavoro minorile costituiscono una pratica purtroppo diffusissima.<\/p>\n

Tra il settembre 2014 e il dicembre 2015 si sono avute almeno ottanta morti fra i minatori, mentre in un rapporto del 2016 Amnesty International <\/em>segnalava che molte migliaia di bambini, alcuni persino di sette anni, venivano fatti lavorare dodici ore al giorno nelle miniere per l’estrazione del cobalto, destinato alle raffinerie cinesi e poi alla vendita alle industrie delle batterie, in condizioni di totale sfruttamento e di assoluta mancanza di sicurezza. Ci\u00f2 ha indotto alcuni grandi costruttori automobilistici ad istituire un osservatorio per individuare la provenienza delle materie prime utilizzate nella produzione dei propri veicoli, a partire proprio dal cobalto [11], e a cercare fonti etiche e certificate.<\/p>\n

Tra le aziende che hanno annunciato di voler ridurre sempre pi\u00f9 il contenuto di cobalto nelle loro batterie, fino ad eliminarlo completamente in un prossimo futuro, vi sono Tesla e Panasonic. I principali accumulatori cobalt free<\/em> sono quelli al Litio-Ferro-Fosfato, Litio-Ossido di Manganese e Litio-Titanato, che tuttavia si caratterizzano per una minore densit\u00e0 energetica e ricariche non rapide.<\/p>\n

Una tendenza seguita attualmente da diverse case automobilistiche, che potrebbe portare al non utilizzo del cobalto, \u00e8 quella di utilizzare batterie al litio polimeriche <\/em>o batterie allo stato solido<\/em>, nelle quali il sale di litio che funge da elettrolita non \u00e8 disciolto in un solvente organico, ma \u00e8 inglobato in un polimero solido, del tipo poliacrilonitrile: tale innovazione, oltre ad aumentare la densit\u00e0 energetica, migliorando la performance<\/em> delle batterie, le rende anche molto pi\u00f9 sicure, in quanto scongiura il rischio di evaporazione e di infiammabilit\u00e0 del solvente organico  [6]. 
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Le batterie al grafene<\/strong><\/h3>\n

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Fig. 3. Struttura del grafene (foto da https:\/\/it.motor1.com\/photo\/3746189\/auto-elettriche-innovazioni-batterie\/<\/a>)<\/p>\n

La nuova frontiera delle batterie \u00e8 rappresentata dal grafene. Si tratta di un materiale ottenuto nel 2004, in un laboratorio dell’Universit\u00e0 di Manchester, dai russi Kostantin Novoselov e Andre Geim, che per questa scoperta vinsero sei anni pi\u00f9 tardi il premio Nobel. I due scienziati lo isolarono dalla grafite a temperatura ambiente asportandone, mediante un nastro adesivo, una sfoglia per volta, fino a ricavare un foglio formato da un unico strato di atomi di carbonio disposti ordinatamente ai vertici di esagoni regolari. \u00c8 dunque, un nanomateriale, bidimensionale, leggerissimo, di cui occorrono ben tre milioni di fogli per raggiungere lo spessore di un millimetro. Nonostante l’enorme sottigliezza, \u00e8 duecento volte pi\u00f9 resistente dell’acciaio. Inoltre, \u00e8 allungabile fino al 120% della sua lunghezza, \u00e8 chimicamente inerte, flessibile, trasparente, impermeabile ai gas e ottimo conduttore termico ed elettrico (conduce l’elettricit\u00e0 meglio del rame). Le sue propriet\u00e0 lo rendono estremamente versatile: numerose sperimentazioni lo vedono protagonista in una vasta gamma di applicazioni, dalla produzione di moduli fotovoltaici ad alto rendimento, grazie alla eccitazione, da parte di ogni fotone, di due elettroni, alla realizzazione di internet <\/em>superveloce, al settore dei materiali compositi, della medicina, ingegneria, a quello aerospaziale e tanti altri ancora. Anche nel settore dei cellulari l’uso del grafene appare molto promettente, con la prospettiva di realizzare smartphone<\/em> ricaricabili in pochi secondi, con un’autonomia di diversi giorni e laproduzione di schermi pieghevoli.<\/p>\n

L’interesse destato dal grafene ha indotto, nell’ottobre del 2013, la Commissione Europea ad emanare un bando che ha stanziato un miliardo di euro in dieci anni per finanziare la ricerca su questo materiale: al progetto, denominato Graphene Flagship <\/em>[12], partecipano centocinquantotto gruppi di ricerca industriali ed accademici di ventitr\u00e9 nazioni, tra cui l’Italia. Nel nostro Paese, peraltro, \u00e8 molto attivo l’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, che sta conducendo importanti studi in collaborazione con il CNR e l’Universit\u00e0 di Roma La Sapienza.<\/p>\n

Le batterie al grafene nei veicoli elettrici possono offrire importanti vantaggi rispetto alle normali batterie al litio ed in particolare:<\/p>\n