Pensatori all'avanguardia - ieri e oggi: elettricità della chimica
Pensatore all’avanguardia – ieri
Alessandro Volta, il fisico italiano, nel 1800 descrisse la pila voltaica, la prima batteria funzionante della storia, alla Royal Society di Londra.
Pensatore all’avanguardia – oggi
Michael Thackeray, il chimico nato in Sudafrica, è uno dei maggiori scienziati che hanno contribuito alla creazione delle batterie al litio – una tecnologia chiave per la possibilità di generare energia pulita.
Alla fine del XVIII secolo, in Europa il modo in cui si generava elettricità era un mistero, considerato persino magia. Negli spettacoli di Carnevale si creavano effetti affascinanti con semplici generatori elettrostatici. Ma è stato Alessandro Volta a portare alla rivoluzione che ha aperto l’era dell’elettricità. Lo scienziato e inventore mise a punto il primo dispositivo che consentiva all’elettricità di creare una corrente per un periodo di tempo più lungo.
Volta sapeva fin da piccolo ciò che voleva. Da adolescente apprese da solo i principi fondamentali dell’elettricità. A 18 anni decise di studiare scienze sperimentali, contro il volere dello zio e tutore. Era la decisione giusta. Più tardi portò avanti un lavoro rivoluzionario, soprattutto nel campo dello studio dell’elettricità. Volta creò un elettroforo utilizzabile, un semplice dispositivo per generare una carica elettrostatica dall’elettricità statica. Nel 1776, nel periodo in cui lavorava come insegnante di fisica presso un liceo di Como, in Italia, scoprì il gas metano combustibile e lo impiegò per costruire uno strumento noto come la pistola di Volta. La pistola crea una scintilla elettrica che dà avvio alla combustione del metano, un’antenata dell’accendino a gas. Due anni dopo Volta assunse il ruolo di docente di fisica sperimentale presso l’Università di Pavia.
Fu qui che nel 1787 la sua carriera raggiunse il punto più alto. Alessandro Volta combinò diversi metalli e scoprì che quando vengono a contatto l’uno con l’altro, i metalli si caricano secondo una diversa gradazione – e questo crea il potenziale elettrico. Mise questa scoperta in pratica con la sua pila voltaica (vedi riquadro).
L’invenzione di Volta è stata la prima sorgente pratica e utilizzabile di corrente elettrica. Tutto il nostro mondo che dipende dall’elettricità – compresi la lampadina, i generatori elettrici e i motori elettrici – si basa su questo principio. Il suo lavoro ha gettato le fondamenta per la prima batteria prodotta in serie nel 1802. Alessandro Volta divenne famoso: la Royal Society, con sede a Londra, gli conferì la Medaglia Copley, l’onorificenza scientifica più importante del tempo. Anche Napoleone ammirava lo scienziato e lo nominò senatore, conferendogli successivamente il titolo di conte. Ma Volta non visse abbastanza per poter assistere all’onore più grande. Nel 1881 – 54 anni dopo la sua morte – la prima Esposizione Internazionale dell’Elettricità di Parigi assegnò all’unità di potenziale elettrico il suo nome: il volt.
Durante la sua infanzia a Pretoria, in Sudafrica, il Prof. Michael Thackeray ha incominciato a interessarsi alla scienza fin dalla più tenera età. Fu preso dalla passione per la chimica al secondo anno di università a Città del Capo, dopo aver scoperto la bellezza dei cristalli. “Mi si accese una luce,” dice Thackeray. “Mi ricordo che dissi: mi ci vedo a lavorare in questo campo.”
Dopo aver conseguito la laurea in Chimica nel 1973, il pensiero di una carriera nel campo delle “messy batteries” era ben lungi da lui. Quando entrò a far parte del Consiglio per la Ricerca Scientifica e Industriale (Council for Scientific and Industrial Research - CSIR) di Pretoria, era appena scoppiata la crisi petrolifera del Medioriente, scatenando una corsa mondiale alla scoperta di batterie ricaricabili. Johan Coetzer, il mentore di Thackeray al CSIR, aveva cominciato a svolgere delle ricerche sui conduttori costituiti da elettroliti solidi cristallini contenenti ioni Ag, ispirando a Thackeray la sua prima intuizione sul rapporto tra le strutture cristalline e l’energia elettrica. Lavorarono insieme alla creazione di nuove tecnologie per batterie al sodio e al litio a temperature elevate.
Thackeray si ritrovò affascinato dalle possibilità che offriva il litio e chiese di poter collaborare con il Professor John Goodenough, un’autorità mondiale sugli ossidi metallici, presso l’Università di Oxford, in Inghilterra. Nel 1981 si trasferì con la sua famiglia a Oxford e cominciò a compiere delle ricerche sul comportamento degli elettrodi di ossidi con struttura a spinello a temperatura ambiente (vedi riquadro). La sua ricerca sulle reazioni all’inserimento di litio ha portato all’utilizzo di una serie di materiali per gli elettrodi con struttura a spinello nelle batterie agli ioni di litio – la tecnologia ricaricabile prevalente oggi nei dispositivi elettronici e nelle macchine elettriche. Dal 1994 Thackeray è a capo di un team presso l’Argonne National Laboratory, un’organizzazione non a scopo di lucro degli Stati Uniti. Ha messo a punto dei materiali per una batteria litio-polimero a stato solido per l’accumulo di energia stazionario e progettato delle strutture di elettrodi compositi che migliorano le prestazioni e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
All’età di 67 anni Thackeray sta ancora lavorando su una versione più avanzata degli elettrodi compositi, inserendo un componente a spinello nella struttura. “Questo approccio sembra promettente” dice. “Stiamo anche cercando di sfruttare l’energia dell’ossigeno nelle strutture di ossidi metallici – una sfida ancora più ardua.”
Alessandro Volta scoprì i metalli come sorgente di elettricità. Questa scoperta gli consentì di creare la pila voltaica, che era realizzata con dischi di zinco e rame sovrapposti in modo alternato e separati da cartone imbevuto di soluzione salina. Questa “cella galvanica” produce tensione elettrica, poiché i dischi di zinco rilasciano elettroni, creando un eccesso di elettroni e quindi una carica negativa.
Il rame assorbe invece gli elettroni dello zinco, creando un vuoto di elettroni e quindi una carica positiva. Quando i poli positivo e negativo (le due estremità della pila di Volta) sono collegati, si crea una corrente elettrica. Ancora oggi molte batterie funzionano in base a questo principio, come le batterie di piccole dimensioni per gli apparecchi acustici.
Gli spinelli sono cristalli che presentano una struttura cubica, attraverso la quale gli ioni di litio si possono muovere in tre dimensioni. Questa struttura accelera notevolmente il processo di carica e scarica in una batteria, poiché gli ioni fanno da spola tra i due elettrodi.
Nel periodo trascorso presso l’Università di Oxford, in Inghilterra, il Prof. Michael Thackeray scoprì che il litio poteva essere inserito in spinelli di ossido di ferro e ossido di manganese a temperatura ambiente, una scoperta che ha portato alla produzione di elettrodi poco costosi e più sicuri.
