Con l’aumento della domanda di veicoli elettrici, gli scienziati sono alla ricerca di materiali per realizzare batterie sostenibili. La lignina, la sostanza che rende gli alberi legnosi, si preannuncia come un forte concorrente.
Dalla carta alle batterie
Circa otto anni fa, un importante produttore di carta in Finlandia si rese conto che il mondo stava cambiando. L’ascesa dei media digitali, il calo della stampa da ufficio e la diminuzione della popolarità dell’invio di articoli per posta – tra gli altri fattori – hanno fatto sì che la carta avesse intrapreso un costante declino.
Stora Enso, in Finlandia, si descrive come “uno dei più grandi proprietari privati di foreste al mondo”. In quanto tale, ha molti alberi, che utilizza per realizzare prodotti in legno, carta e imballaggi, ad esempio. Ora vuole produrre anche batterie: batterie per veicoli elettrici che si ricaricano in appena otto minuti.
L’azienda ha assunto ingegneri per esaminare la possibilità di utilizzare la lignina, un polimero che si trova negli alberi. Circa il 30% di un albero è lignina, a seconda della specie, il resto è in gran parte cellulosa.
“La lignina è la colla negli alberi che in qualche modo incolla insieme le fibre di cellulosa e rende anche gli alberi molto rigidi”, spiega Lauri Lehtonen, responsabile della soluzione di batterie a base di lignina di Stora Enso, Lignode.
La lignina, un polimero, contiene carbonio. E il carbonio è un ottimo materiale per un componente vitale nelle batterie chiamato anodo. La batteria agli ioni di litio del telefono ha quasi certamente un anodo di grafite: la grafite è fatto di carbonio con una struttura a strati.
Gli ingegneri di Stora Enso hanno deciso di poter estrarre la lignina dalla polpa di scarto già prodotta in alcune delle loro strutture e di elaborare tale lignina per creare un materiale di carbonio per gli anodi delle batterie. L’azienda sta collaborando con la società svedese Northvolt e prevede di produrre batterie già nel 2025.
La grande crescita della domanda
Con sempre più persone che acquistano auto elettriche e immagazzinano energia a casa, si prevede che l’appetito globale per le batterie aumenterà notevolmente nei prossimi anni. Per come la vede Lehtonen, “la domanda è semplicemente strabiliante”.
Nel 2015, ogni anno sono state necessarie alcune centinaia di gigawattora (GWh) in più per le scorte mondiali di batterie, ma secondo la società di consulenza di gestione McKinsey, entro il 2030, con l’allontanamento del mondo dai combustibili fossili, questo aumenterà a poche migliaia di GWh in più ogni anno. Il problema è che le batterie agli ioni di litio su cui facciamo affidamento oggi dipendono in gran parte da processi industriali e minerari dannosi per l’ambiente. Inoltre, alcuni dei materiali di queste batterie sono tossici e difficili da riciclare. Molti provengono anche da paesi con scarsi record di diritti umani.
La produzione di grafite sintetica, ad esempio, comporta il riscaldamento del carbonio a temperature fino a 3.000 °C. L’energia per questo spesso proviene da centrali elettriche a carbone in Cina, secondo la società di consulenza Wood Mackenzie.
La ricerca è in corso per materiali per batterie sostenibili che siano più ampiamente disponibili. Alcuni dicono che possiamo trovarli sugli alberi.
Batterie a base di lignina
In generale, tutte le batterie necessitano di un catodo e di un anodo, rispettivamente gli elettrodi positivo e negativo, tra i quali scorrono particelle cariche chiamate ioni. Quando una batteria è carica, gli ioni di litio o di sodio, ad esempio, si trasferiscono dal catodo all’anodo, dove si depositano come automobili in un parcheggio multipiano, spiega Jill Pestana, scienziata e ingegnere di batterie con sede in California che attualmente lavora come un consulente indipendente.
Quando la batteria viene scaricata per alimentare qualcosa come un’auto elettrica, gli ioni tornano al catodo dopo aver rilasciato elettroni: gli elettroni si muovono attraverso il filo in un circuito elettrico, trasferendo energia al veicolo.
La grafite, dice Pestana, è un materiale “spettacolare” perché funziona così bene come un anodo affidabile che consente il verificarsi di tali reazioni. Le alternative, comprese le strutture in carbonio derivate dalla lignina, devono lottare per dimostrare di essere all’altezza del compito.
Tuttavia, ci sono diverse aziende che stanno esplorando il potenziale della lignina nello sviluppo di batterie, come Bright Day Graphene in Svezia, che produce grafene, un’altra forma di carbonio, dalla lignina.
Lehtonen esalta le virtù del materiale anodico di carbonio della sua azienda, che Stora Enso ha chiamato Lignode. Non rivelerà esattamente come l’azienda trasformi la lignina in una struttura di carbonio duro, o cosa sia esattamente quella struttura, se non per dire che il processo prevede il riscaldamento della lignina, ma a temperature neanche lontanamente alte come quelle richieste per la produzione di grafite sintetica .
Una caratteristica importante della struttura di carbonio risultante è che è “amorfa”, o irregolare, afferma Lehtonen: “In realtà consente molta più mobilità degli ioni dentro e fuori”.
Stora Enso afferma che questo li aiuterà a realizzare una batteria agli ioni di litio o agli ioni di sodio che può essere caricata in appena otto minuti. La ricarica rapida è un obiettivo chiave per gli sviluppatori di batterie per veicoli elettrici.
La ricerca continua
Una ricerca separata sugli anodi di carbonio derivati dalla lignina, condotta da Magda Titirici presso l’Imperial College di Londra nel Regno Unito e colleghi, suggerisce che è possibile realizzare tappetini conduttivi contenenti strutture di carbonio intricate e irregolari con molti difetti ricchi di ossigeno. Questi difetti sembrano aumentare la reattività dell’anodo con gli ioni trasferiti dal catodo nelle batterie agli ioni di sodio, afferma Titirici, che a sua volta riduce i tempi di ricarica: “Questo tappetino conduttivo è fantastico per le batterie”.
Anche Wyatt Tenhaeff, dell’Università di Rochester nello Stato di New York, ha realizzato anodi derivati dalla lignina in ambienti di laboratorio. La lignina è “davvero fantastica”, dice, perché è un sottoprodotto che potrebbe avere molti potenziali usi. Negli esperimenti, lui ei suoi colleghi hanno scoperto che potevano usare la lignina per realizzare un anodo con una struttura autoportante, che non richiedeva colla o un collettore di corrente a base di rame, un componente comune nelle batterie agli ioni di litio. Nonostante il fatto che ciò potrebbe ridurre il costo degli anodi di carbonio derivati dalla lignina, è scettico sul fatto che possano competere commercialmente con gli anodi di grafite.
“Semplicemente non penso che sarà un cambiamento sufficientemente grande in termini di costi o prestazioni per sostituire la grafite radicata”, afferma.
Attenzione alla sostenibilità
C’è anche il problema della sostenibilità. Chelsea Baldino, ricercatore presso l’International Council on Clean Transportation, afferma che fintanto che la lignina utilizzata per la produzione di anodi viene estratta come sottoprodotto dal processo di fabbricazione della carta, altri alberi non verranno abbattuti per produrre batterie .
Un portavoce di Stora Enso conferma che, attualmente, tutta la lignina utilizzata dall’azienda è “un flusso secondario del processo di spappolamento”, e il suo utilizzo non aumenta il numero di alberi abbattuti o il volume di legno utilizzato nella produzione di pasta di legno.
Chiunque cerchi di produrre anodi dalla lignina deve garantire che anche la silvicoltura da cui proviene la lignina sia sostenibile, aggiunge Pestana. “Se l’industria della cellulosa non è sostenibile, allora il materiale stesso non è un materiale derivato in modo sostenibile”, spiega.
Secondo il rapporto annuale 2021 di Stora Enso, l’azienda “conosce l’origine di tutto il legno che utilizza e proviene al 100% da fonti sostenibili”.
Un elettrolita a base di lignina
C’è almeno un altro modo in cui la lignina potrebbe essere utilizzata nelle batterie, oltre agli anodi. Ad aprile, un gruppo di ricerca in Italia ha pubblicato un documento sui loro sforzi per sviluppare un elettrolita a base di lignina. Questo è il componente che si trova tra il catodo e l’anodo: aiuta gli ioni a fluire tra gli elettrodi ma costringe anche gli elettroni a prendere il percorso desiderato attraverso il circuito elettrico a cui è collegata la batteria. In altre parole, impedisce agli elettroni di rimbalzare semplicemente tra gli elettrodi, il che lascerebbe il tuo smartphone morto come un chiodo.
Dal petrolio si possono ricavare polimeri per elettroliti, dice Gianmarco Griffini del Politecnico di Milano, ma aggiunge che sarebbe vantaggioso trovare invece fonti alternative e sostenibili.
Spiega che l’idea di utilizzare la lignina è nata dopo che lui e colleghi hanno sperimentato l’utilizzo del materiale nei pannelli solari, con risultati leggermente deludenti. “Le efficienze che si ottengono nelle celle solari sono relativamente limitate perché la lignina è marrone, quindi assorbe effettivamente un po’ di luce”, spiega. Nelle batterie, non importa.
Per la produzione di anodi, la lignina viene trattata termicamente per scomporla nei suoi atomi di carbonio costituenti. Ma Griffini, che si autodefinisce “ragazzo del polimero”, dice che preferisce usarlo nella sua forma polimerica. Con questo in mente, lui e colleghi hanno sviluppato un elettrolita polimerico gel che ha aiutato il movimento degli ioni in una batteria sperimentale di potassio. “In realtà è uscito abbastanza bene”, dice.
La fattibilità commerciale di tutte queste idee deve ancora essere dimostrata. Titirici aggiunge tuttavia che, in teoria, si potrebbe realizzare una batteria che utilizzi polimeri di lignina nell’elettrolita e carboni derivati dalla lignina nell’anodo. Aspettiamo sviluppi.
Fonte: BBC