Batterie tra presente, passato e futuro

Ciò che alimenta smartphone, tablet e notebook è il vero tallone d'Achille della tecnologia mobile. Ma nuovi materiali fanno ben sperare

Roma – Sia che si tratti di pale eoliche, auto elettriche o smartphone, la conservazione dell’energia è uno dei più grandi problemi tecnologici odierni . Chi riuscirà a trovare una soluzione efficace in questo settore si assicurerà probabilmente enormi guadagni. Le batterie attuali, infatti, non sono in grado di tenere il passo con i continui progressi della tecnologia. Uno smartphone compatto e potente, come gli attuali top di gamma, se consentisse di poter essere ricaricato solo una volta a settimana si rivelerebbe il primo autentico successo dopo l’introduzione del touchscreen, nonché un validissimo motivo per invogliare gli utenti ad acquistare un nuovo device. Ma è vero anche che mentre un accumulatore per l’energia eolica è preferibile che sia di grandi dimensioni, la maggior parte dei dispositivi di uso quotidiano necessitano di batterie di dimensioni compatte. I nuovi smartwatch, in effetti, non hanno spazio sufficiente a contenere batterie grandi al punto da garantire un’autonomia decente. L’Apple Watch, ad esempio, dura solo 20 ore. Dal punto di vista tecnologico, dunque, lo sviluppo delle batterie assomiglia quasi alla ricerca del sacro Graal, ma sul loro futuro stanno lavorando alacremente ricercatori universitari, produttori leader di accumulatori (come Panasonic) e giganti dell’elettronica (come Samsung e Apple).


Un accumulatore è costituito da due elettrodi (litio metallico e grafite metallica) e, tra di essi, è disposto un elettrolito, che provvede a trasferire la carica elettrica (ioni di litio).

Per prendere consapevolezza del fatto che gli attuali accumulatori si affidino a tecnologie che nel tempo sono migliorate solo in misura minima, basta dare uno sguardo al passato. Il primo accumulatore ricaricabile, la batteria al piombo, fece la sua comparsa già attorno al 1850 . Malgrado una densità energetica relativamente modesta (capacità energetica rispetto al peso), le pesanti batterie al piombo di grandi dimensioni vengono ancora oggi utilizzate come batterie di avviamento per automobili e moto. Tutto questo dipende dal fatto che i costi di produzione sono modici e, inoltre, dal fatto che le batterie al piombo si rivelano molto resistenti e, per breve tempo, capaci di erogare un quantitativo di energia maggiore rispetto alle batterie moderne, senza alcun deterioramento.

Anche la robustezza offerta dagli accumulatori dimostra che i progressi ottenuti negli ultimi 165 anni sono stati piuttosto modesti. Mentre le batterie al piombo sono in grado di avviare un’auto in qualsiasi condizione climatica, la temperatura d’esercizio ideale per i moderni accumulatori a ioni di litio dev’essere compresa tra 10 e 25 gradi Celsius . Con una temperatura esterna inferiore a 10 gradi la loro potenza diminuisce sensibilmente e, oltre i 25 gradi, si esauriscono velocemente. Inoltre, se sollecitate al massimo, le batterie al litio tendono a scaldarsi (la loro temperatura massima di esercizio non deve generalmente superare i 60 gradi Celsius). Il surriscaldamento è anche il motivo per cui d’estate gli smartphone tendono a spegnersi di colpo.


Il litio, indispensabile per la fabbricazione delle batterie, è uno degli elementi più ricercati. Tra i giacimenti più grandi al mondo c’è il Salar de Uyuni in Bolivia. L’elemento deve essere prelevato dalla salina del lago essiccato e la sua estrazione si rivela complessa e dispendiosa.

Anche relativamente al fattore sicurezza , le attuali batterie offrono scarse garanzie. Da una batteria al piombo danneggiata può fuoriuscire acido solforico corrosivo, ma gli attuali modelli Li-Ion si rivelano ancora più pericolosi . Se il loro involucro si danneggia è possibile che fuoriescano gas infiammabili in grado di causare esplosioni. In caso di danneggiamento meccanico può verificarsi anche un processo di autocombustione, come accaduto nel gennaio 2013 quando presero fuoco le batterie di due Boeing 787 Dreamliner . L’evento impose un divieto temporaneo di volo ai nuovi aerei passeggeri.

Le attuali batterie agli ioni di litio offrono una capacità energetica maggiore rispetto ai modelli precedenti, anche se in misura minima. Mentre le batterie al piombo offrono una densità energetica di circa 30 wattora al chilogrammo (Wh/kg), i moderni modelli Li-Ion erogano un valore quintuplicato, pari a 150 Wh/kg . Nel caso sia richiesta solo una potenza limitata o qualora lo spazio giochi un ruolo secondario, questa capacità si rivela più che sufficiente. Tutto questo è offerto anche dalle batterie per uso domestico come Powerwall di Tesla .


La Tesla Powerwall provvede a immagazzinare in celle a ioni di litio l’energia solare catturata da appositi pannelli fotovoltaici: pesa 97 chilogrammi e presenta le dimensioni 1.300 x 860 x 180 centimetri.

È quindi evidente che si rendono necessarie nuove tecnologia per la costruzione di batterie. Per risolvere i problemi legati alla capacità energetica, al tempo di ricarica e alla sicurezza , si stanno sviluppando vari progetti a cui Tesla dovrebbe essere particolarmente interessata. I ricercatori puntano soprattutto su nuovi materiali in grado di immagazzinare un quantitativo molto più elevato di energia elettrica rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Vari esperimenti che prevedevano come materiale conduttivo l’impiego di silicio al posto della grafite , si sono rivelati promettenti. Per la prima generazione di questi accumulatori, i ricercatori della Stanford University riferiscono che la durata della nuova batteria dovrebbe aumentare di ben dieci volte rispetto a quella consentita dalle attuali celle agli ioni di litio, pur conservando lo stesso aspetto esterno. Questa maggiore capacità apporterebbe sostanziosi vantaggi: le auto elettriche, ad esempio, potrebbero essere dotate di batterie marcatamente più leggere. Finalmente potrebbe essere possibile costruire modelli idonei per lunghi tragitti, anche se la durata della ricarica di batterie così potenti richiederebbe più tempo.


I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una batteria con conduttori elettrici costituiti da minuscole particelle di silicio, disposti come i semi di una melagrana. Immagazzinano un quantitativo di energia quasi decuplicato rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio con elettrodi in grafite.

Ecco dunque che un altro aspetto, estremamente importante, sul quale lavorare è l’ incremento della velocità di ricarica . Gli esperimenti presso l’università di Stanford, basati sull’uso dell’ alluminio come materiale per gli elettrodi , hanno fornito risultati promettenti. In soli 60 secondi i ricercatori sono riusciti a ricaricare completamente una batteria per smartphone. L’alluminio offre anche altri vantaggi: dopo 7.500 cicli di ricarica la cella accumulatrice non ha mostrato alcuna perdita rilevante di capacità, a differenza delle attuali batterie agli ioni di litio che già dopo 1.000 cicli di ricarica iniziano a erogare solo l’80 per cento della potenza. Queste nuove batterie, inoltre, si rivelano funzionali e sicure, visto che se vengono perforate è possibile continuare a utilizzarle senza pericolo. L’unico svantaggio nell’impiego dell’alluminio è la scarsa capacità, infatti la sua densità energetica è inferiore a quella delle attuali batterie Li-Ion.

Alluminio o silicio si imporranno a breve come nuovi materiali per le batterie? Al momento non è certo. Quel che si sa è che per batterie da utilizzare con impianti stazionari l’alluminio è il candidato più interessante, mentre il silicio si rivela idoneo per auto elettriche e smartphone con un’autonomia di dieci giorni. E non è tutto. Prossimamente dovrebbe essere possibile ricaricare, in modalità wireless, smartphone e affini da una distanza di parecchi metri grazie alla tecnologia Cota , che consentirà ai dispositivi mobile di inviare un impulso localizzatore a una stazione di ricarica. Quest’ultima rileverà la posizione esatta dello smartphone e provvederà a generare un campo elettromagnetico perfettamente adeguato. Cota dovrebbe funzionare anche in presenza di ostacoli ed essere in grado di trasferire energia pari a 1 watt fino alla distanza di 10 metri. Entro il 2016, grazie a WattUp , un sistema di questo tipo dovrebbe essere maturo per la produzione in serie. La custodia di ricarica per lo smartphone dovrebbe costare 125 dollari e la base 300. Ovviamente, obiettivo a lungo termine sarà l’integrazione di questo sistema di ricarica direttamente nei dispositivi.

Il futuro è quindi tracciato: batterie che durano settimane, che si caricano in pochi secondi e senza fili. Il traguardo è ancora lontano, ma la sfida si preannuncia avvincente.

fonte immagini: 1 , 2 , 3 Per approfondire abbiamo realizzato una timeline sulla storia della batteria , con la previsione di un cambiamento (commerciale) di tecnologia nel 2020. Come detto in precedenza, rispetto alla crescente “avidità” di potenza dei moderni dispositivi, la capacità energetica delle batterie si è sviluppata più lentamente. Dai primi accumulatori alle moderne batterie agli ioni di litio, infatti, non ci sono grandissime differenze.

1850 – BATTERIA AL PIOMBO
La batteria al piombo sviluppata nel 1850 iniziò ad essere utilizzata per impieghi commerciali solo nel 1866, grazie all’invenzione di Werner Siemens : il generatore per la produzione di energia. Nel 1881 il primo veicolo elettrico ufficialmente riconosciuto, il Trouvé Tricycle (nella foto), riuscì a percorrere circa 26 chilometri, con un batteria al piombo.

Trouvé Tricycle

1900 – BATTERIA AL NICHEL-CADMIO
Leggermente più potente dei modelli al piombo, la batteria Ni-Cd offriva soprattutto un’elevata resistenza alle temperature più rigide, che le consentiva di essere utilizzata anche a meno 40 gradi Celsius; inoltre, offriva un elevato quantitativo d’energia. A partire dal 2004 l’impiego delle batterie Ni-Cd inizia a diventare proibito in tutta l’Unione Europea con pochissime eccezioni, a causa della presenza del metallo pesante cadmio .

Interno Batteria Ni-Cd

1990 – BATTERIA AGLI IONI DI LITIO
L’attuale generazione di batterie, utilizzata su smartphone, notebook e sulla Powerwall di Tesla, si basa sulla tecnologia agli ioni di litio, introdotta 25 anni fa. I suoi vantaggi rispetto alle varianti più datate sono: un autoscaricamento ( self-discharge ) minimo e ricariche parziali e totali che non comportano alcun problema.

Tesla Powerwall

2020 – BATTERIE AGLI IONI DI SILICIO E ALLUMINIO
Modelli promettenti di batterie, in fase di sviluppo per il futuro, utilizzeranno silicio o alluminio per il conduttore elettrico. I vantaggi rispetto al litio saranno una maggiore capacità energetica, consentita dal silicio, nonché una resistenza più elevata offerta dall’alluminio. Entrambi i modelli non sono tuttavia ancora “maturi” per una produzione in serie.

Test alluminio

fonte immagini: 1 , 2 , 3 , 4 Sulle batterie se ne sono sentite e continuano a sentirsene di tutti i colori: con tutte le “leggende metropolitane” fatte circolare in 165 anni di storia, individuare la verità inizia ad essere davvero difficile. Di seguito citeremo gli esempi più eclatanti, facendo chiarezza e distinguendo le bufale da ciò che ha un fondo di verità. Siamo certi che anche gli utenti più esperti troveranno interessanti spunti di riflessione.

FRIGORIFERO
Mito: le batterie devono essere conservate in frigorifero.
Realtà: è vero che la batteria dovrebbe essere conservata al fresco, ma non in un luogo umido. L’acqua di condensa del frigorifero potrebbe danneggiarla.

batterie in frigorifero

EFFETTO MEMORIA
Mito: se una batteria viene solo parzialmente ricaricata o scaricata, perde la sua capacità.
Realtà: tutto questo vale per le batterie al nichel-cadmio, ma non per i moderni modelli agli ioni di litio e polimeri.

Effetto memoria

ESPLOSIONE BATTERIA
Mito: in condizioni estreme le batterie possono esplodere.
Realtà: possono perdere acido, lasciare fuoriuscire gas velenosi e infiammabili o prendere fuoco. Grazie a un punto di rottura predeterminato, la pressione non è sufficiente a provocare un’esplosione.

Esplosione batteria

LA RICARICA CONTINUA È DANNOSA
Mito: la batteria si danneggia se tenuta sotto carica continuamente.
Realtà: calore e ricarica al massimo stressano la batteria, ma non la rendono inservibile. Se utilizzate il notebook a corrente, provvedete a estrarre la batteria, se quest’ultima offre una carica superiore all’80 per cento.

Rimozione batteria laptop

PERICOLO DI RICARICA ECCESSIVA
Mito: le batterie si danneggiano se vengono lasciate permanentemente collegate al caricabatteria.
Realtà: l’elettronica della batteria o del caricabatteria impedisce una ricarica eccessiva e se il dispositivo non è difettoso non c’è da preoccuparsi.

Ricarica eccessiva

fonte immagini: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 Con un utilizzo intensivo, la maggior parte dei dispositivi mobile deve essere ricaricata almeno una volta al giorno. Adottando alcuni semplici accorgimenti, da sempre messi in pratica dagli utenti più esperti, è possibile allungare sensibilmente l’autonomia della batteria. In attesa della rivoluzione tecnologica che porterà accumulatori più efficaci ed efficienti, ecco cosa potete fare.

DISATTIVARE IL GPS
Su smartphone e fotocamere, il GPS si rivela uno dei più avidi divoratori di energia. Mentre con la fotocamera il GPS potrà essere solo attivato o disattivato, gli smartphone consentono di disattivarlo solo dalle impostazioni di singole app e servizi. In linea di massima conviene non utilizzarlo . Se la batteria mostra segni di esaurimento e non è disponibile una presa elettrica, è consigliabile disattivare completamente il GPS.

DIMINUIRE LA LUMINOSITÀ
Il display è uno dei componenti che necessita di maggior energia . Gli smartphone sono dotati di un sensore che adegua automaticamente la luminosità alla luce dell’ambiente circostante. Qualora il dispositivo non offra questa funzione adattiva, è consigliabile intervenire manualmente sulla luminosità, ad esempio negli ambienti bui. Impostate, inoltre, un intervallo di tempo possibilmente breve prima che entri in funzione la disattivazione automatica del display.

MODALITÀ RISPARMIO ENERGETICO
Impostate la modalità di risparmio energetico affinché si attivi quando la carica della batteria si avvicina alla fine . Questa modalità influirà anche su servizi e funzioni wireless attive, riducendo la luminosità del display, disattivando lo schermo quando non viene utilizzato o attivando più velocemente la modalità standby per gli hard disk. È possibile anche ridurre la velocità del processore e la risoluzione cromatica del display.

DISATTIVARE LA CONNESSIONE WLAN
Gli utenti di notebook o smartphone in mobilità utilizzano solo raramente la connessione WLAN. Se il dispositivo non è collegato ad una rete wireless, provvederà a ricercarla continuamente e tutto questo comporterà un elevato consumo di energia. Disattivate la connessione Wi-Fi se non avete bisogno di usarla in mobilità .

SCREENSAVER
I salvaschermo sono una “vestigia” dell’epoca degli schermi con tubo catodico e, a quel tempo, dovevano impedire che l’immagine si imprimesse sul video. Gli schermi LCD non sono più soggetti all’effetto ghosting ed è quindi conveniente disattivare lo screensaver , dato che alcuni salvaschermo divorano un quantitativo di energia pari a quello richiesto da un film o un gioco in 3D.

DISATTIVARE IL BLUETOOTH
In prossimità di un impianto vivavoce, di un sistema multimediale per auto o di un headset wireless, gli smartphone attivano automaticamente il collegamento con questi dispositivi. Il Bluetooth, nella maggior parte dei casi, rimane però attivo anche se viene utilizzato solo per breve tempo. Tutto il giorno continua a “rosicchiare” energia dalla batteria ed è quindi consigliabile disattivarlo .

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