Le batterie sono diventate un elemento fondamentale nella nostra vita quotidiana, permettendoci di utilizzare una vasta gamma di dispositivi elettronici, dalle semplici torce alle complesse automobili elettriche. Questi dispositivi sono in grado di convertire l’energia chimica in energia elettrica, grazie a un processo ciclico di flusso di elettroni. Il Laboratorio Nazionale di Argonne, negli Stati Uniti, svolge un ruolo cruciale nello sviluppo della tecnologia delle batterie, dalla ricerca fondamentale fino alle innovazioni nel riciclaggio.
Una batteria è un dispositivo che immagazzina energia chimica e la rilascia sotto forma di energia elettrica. Esistono diversi tipi di batterie, dalle tradizionali usa e getta, come le AA, alle ricaricabili al litio-ione, utilizzate in cellulari, laptop e automobili. Una batteria è composta da quattro parti principali: il catodo (lato positivo della batteria), l’anodo (lato negativo della batteria), un separatore che impedisce il contatto tra catodo e anodo, e una soluzione chimica nota come elettrolita che permette il flusso di carica elettrica tra catodo e anodo.
Le batterie al litio-ione, che alimentano ad esempio i telefoni cellulari, sono generalmente composte da un catodo fatto di ossidi di cobalto, manganese e nichel e un anodo di grafite, lo stesso materiale presente in molte matite. Il catodo e l’anodo immagazzinano il litio. Quando una batteria al litio-ione è accesa, le particelle caricate positivamente di litio (ioni) si muovono attraverso l’elettrolita dall’anodo al catodo. Si verificano reazioni chimiche che generano elettroni e convertono l’energia chimica immagazzinata nella batteria in corrente elettrica. Quando si carica il cellulare, le reazioni chimiche si invertono: gli ioni di litio si muovono dal catodo all’anodo. Finché gli ioni di litio si spostano avanti e indietro tra anodo e catodo, c’è un flusso costante di elettroni, fornendo l’energia necessaria per mantenere in funzione i dispositivi. Poiché questo ciclo può essere ripetuto centinaia di volte, questo tipo di batteria è ricaricabile.
Il Laboratorio Nazionale di Argonne è riconosciuto come leader mondiale nella scienza e tecnologia delle batterie. Negli ultimi sessant’anni, le scoperte fondamentali del laboratorio hanno rafforzato l’industria americana della produzione di batterie, hanno contribuito alla transizione del parco automobilistico statunitense verso veicoli ibridi e elettrici, e hanno permesso un maggiore utilizzo di energie rinnovabili, come l’energia eolica e solare.
La ricerca del laboratorio copre ogni aspetto dello sviluppo delle batterie, dalla scienza fondamentale rivoluzionaria del Joint Center for Energy Storage Research, un hub di innovazione energetica guidato da Argonne, al Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, un collettivo inter-laboratorio di scienziati e ingegneri che risolve problemi complessi delle batterie attraverso la ricerca multidisciplinare.
I ricercatori di Argonne stanno anche esplorando come accelerare il riciclaggio delle batterie al litio-ione attraverso il ReCell Center del DOE, una collaborazione guidata da Argonne che include il National Renewable Energy Laboratory, il Oak Ridge National Laboratory, oltre al Worcester Polytechnic Institute, all’Università della California a San Diego e alla Michigan Technological University.
Le batterie al litio-ione alimentano la nostra vita quotidiana, dai dispositivi elettronici di consumo alla difesa nazionale. Una batteria al litio-ione è un tipo di batteria ricaricabile. Ha quattro parti chiave: il catodo (il lato positivo), tipicamente una combinazione di ossidi di nichel, manganese e cobalto; l’anodo (il lato negativo), comunemente fatto di grafite; un separatore che impedisce il contatto tra anodo e catodo; e una soluzione chimica nota come elettrolita che muove gli ioni di litio tra catodo e anodo. Quando la batteria è in uso, le particelle cariche positive di litio (ioni) si muovono attraverso l’elettrolita dall’anodo al catodo. Si verificano reazioni chimiche che generano elettroni e convertono l’energia chimica immagazzinata nella batteria in corrente elettrica. Quando la batteria è in carica, le reazioni chimiche si invertono: gli ioni di litio si muovono dal catodo all’anodo.
