Semplicemente scienza
di Matteo Duca – CSIC
In collaborazione con la CSIC (Comunità Scientifica Italiana in Canada – sezione di Montréal), la prima associazione canadese di ricercatori italiani creata con lo scopo di essere un punto di riferimento per chi attualmente risiede in Québec, e per chi vuole mantenere un collegamento con la realtà virtuale italiana, vi presentiamo questa nuova rubrica che pubblicheremo con scadenza mensile. Buona lettura, scientifica, a tutti!
Taxi che scivolano silenziosi nelle nostre strade, stazioni di ricarica installate in tutta la città, e ben presto anche autobus elettrici. Quando si parla di mobilità sostenibile, Montréal fa davvero sul serio. Le sue università danno un contributo essenziale al progresso del cuore pulsante di questi veicoli: le batterie. Ma come funzionano? Per rispondere a questa domanda, facciamo un passo indietro di più di duecento anni.
Un po’ di storia
Siamo a Como, alla fine del 1799. Vestito elegantemente, un uomo sulla cinquantina lavora in un laboratorio alla luce delle candele. Su un disco di zinco, appoggia delicatamente un disco di rame, quindi mette un panno imbevuto d’acido, e ricomincia con un disco di zinco. Quando la pila di dischi è completa, lo scienziato collega un filo a ciascuna estremità. Poi, com’era normale allora (oggi è assolutamente vietato!), usa il proprio corpo come uno strumento: si mette i fili sulla lingua, sente un solletico, una scarica elettrica! Ecco la prima… pila, che darà ad Alessandro Volta una grande fama mondiale (ve lo ricordate il suo ritratto sulla banconota da 10000 Lire?).
Piccole particelle
Da allora, la “pila”, che prende il nome di batteria se ricaricabile, ha fatto passi da gigante. Eppure, il suo principio di funzionamento resta sempre lo stesso. Per capire meglio, facciamo la conoscenza degli elettroni: sono piccolissime particelle che, nella batteria, si comportano come vere e proprie monete dal valore unitario e portano un segno meno, o, come dicono gli scienziati, una carica negativa.
Come ottenere questi elettroni? Per farlo, ci vogliono delle reazioni chimiche. Pensiamo ad un esempio della vita quotidiana: la corrosione. Quando il ferro si corrode, perde elettroni. Dove si consumano? È l’ossigeno a “mangiarli” per formare acqua.
Il ferro arrugginito ed una batteria si assomigliano molto. Possiamo dire che il primo è come una batteria in corto circuito. Infatti, il trucco per costruire una batteria è semplice e geniale: isolare le due reazioni, come Volta ha fatto con il panno fra i dischi di metallo. A questo punto ogni reazione è isolata al proprio polo, che ha un segno “+” o “–”. Solo quando colleghiamo i poli con un filo inizia a passare la corrente, e una reazione tira l’altra, anche se sono a distanza! Queste reazioni chimiche avvengono grazie al movimento spontaneo degli elettroni nel filo, che seguono un senso unico: dal – al +. Perché? Ricordiamo le lezioni di scienza a scuola e il principio dei vasi comunicanti. Se un recipiente è pieno, e l’altro è vuoto, quando si apre il rubinetto l’acqua scorre dal primo al secondo finché il livello è uguale. In una batteria carica la situazione è simile: il polo – è pieno, mentre il + è vuoto. Mentre la batteria funziona, i livelli si avvicinano progressivamente. Cosa accade quando sono uguali? Semplice: la batteria è scarica!
Perché diciamo che il polo – è “pieno”? Perché c’è un materiale in grado di donarci molti elettroni, le nostre minuscole monete dal valore −1, che poi sono “spese”, quando, una volta raggiunto il polo positivo, si consumano nella seconda reazione chimica della batteria. Nel frattempo, ci forniscono l’energia per alimentare, ad esempio, il cellulare.
La Pila
Per capire ancor meglio costruiamo una vera batteria. Iniziamo a scegliere un materiale per il polo – . Deve essere leggero, sicuro, ma soprattutto deve donare elettroni generosamente. Fra gli elementi chimici, il litio è quasi perfetto. Peccato che sia un elemento fin troppo esuberante, difficile da maneggiare: i chimici hanno però imparato un’astuzia. Prendono della grafite (c’è anche nella mina delle matite!) e costruiscono un alveare: in ogni cella mettono un atomo di litio che, diviso in tante parti, è meno pericoloso. Attenzione: ogni atomo di litio può darci solo una moneta, solo un elettrone.
Ora, dobbiamo trovare per il polo + un materiale che abbia “fame” di elettroni. Direte: l’ossigeno, come nella corrosione! E poi ce n’è così tanto nell’aria! Vero, ma usare l’ossigeno nelle batterie è ancora un sogno per i ricercatori. Per ora, dobbiamo accontentarci di un gioco di prestigio. Se non possiamo consumare gli elettroni, possiamo sempre nasconderli. Gli ossidi di alcuni metalli come il cobalto, il nichel e il manganese sono ottime casseforti di elettroni. Immaginiamo quindi il polo + come quegli armadietti a chiave che troviamo in piscina: l’elettrone è la moneta che ci serve per aprirli. Non è consumato, è solo nascosto.
E per finire…
Ma che facciamo con tanti armadietti spalancati? È a questo punto che accade una cosa meravigliosa: la dimensione degli armadietti dell’ossido metallico assomiglia a quella delle celle dell’alveare. Lo ione di litio, con nostalgia del proprio elettrone perduto, lo vuole riprendere, si lancia verso gli armadietti aperti… e finisce intrappolato sottochiave! Litio ed elettrone vicini, ma separati tra di loro: un’astuzia geniale che permette alla batteria di funzionare in sicurezza. Basterà poi ricaricarla per sbloccare gli armadietti, e fare in modo che litio ed elettrone tornino insieme al punto di partenza.
Ve lo potevate immaginare? Mentre usiamo il cellulare, uno sciame di particelle prende il volo e la materia si muove e si trasforma. Dal laboratorio di Alessandro Volta all’iPhone, è cambiata la dimensione delle batterie, ma non il principio che le fa funzionare.
Per concludere, attenzione ai nomi che ingannano: queste “batterie agli ioni di litio”, in realtà, contengono un peso molto ridotto di questo materiale. Ne basta un pizzico per dare la carica.
