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Dalla rivoluzione della pila di Volta alla rivoluzione delle batterie agli ioni di Litio

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Trento, 8 gennaio 2020. – di Luigi Cozzolino

Il premio Nobel assegnato ai tre della chimica il 9 ottobre 2019 è andato al tedesco Johnson Goodenough, 97 anni, al 78 enne britannico Stanley Whittingham e al giapponese Akira Yoshino, 71 anni, che hanno inventato e poi migliorato la batteria agli ioni di litio.

Il 20 marzo 1800, è la data con la quale Volta comunicava a Sir Joseph Banks, presidente della Royal Society in Gran Bretagna, la sua importante scoperta da lui chiamata " Organo elettrico artificiale" (Fig.1)
Lo stesso Napoleone Bonaparte rimase sbalordito dall'importante invenzione e dimostrazione di Volta del 1801, successivamente, Bonaparte nominò Volta Conte, oltre a conferirgli la Legion D' Onore e seimila franchi per continuare la ricerca (fig.2).

Einstein, quando visitò il tempio Voltiano a Como, in cui sono raccolte quasi tutti gli strumenti e gli esperimenti svolti dal famoso comasco, di fronte alla pila di Volta esclamò "....questa è la base fondamentale di tutte le invenzioni ....".

Cerchiamo di capire perché Einstein fece questa profetica affermazione.

L'invenzione della pila di Volta fa seguito agli esperimenti eseguiti da Luigi Galvani che studiando le zampe di rana notò che tali zampe si contraevano a contatto con elettricità statica dovuta alla presenza di cariche elettriche od un metallo.

Volta rimase dubbioso degli studi di Galvani, circa l'elettricità animale, e quindi prosegui, per conto suo, altri esperimenti sempre con le rane di Galvani, ma si accorse che le zampe delle rane si contraevano anche con il contatto di due metalli differenti e addirittura senza alcun contatto ma semplicemente accostando il nervo rurale della zampa al muscolo della stessa.

Insomma, per circa un decennio scoppiò una interessante disputa tra i due che interessò l'intero mondo scientifico e accademico dell'epoca.

In sintesi Galvani, con la pubblicazione del "Commentarius" nel 1791, affermava che, a seguito di esperimenti scientifici condotte su rane ,le zampe delle stesse si contraevano quando sono messe a contatto con un metallo, concludendo che nel cervello delle rane si accumulasse e quindi si producesse un elettricità animale che scorrendo nei nervi si accumulava nei muscoli delle zampe delle rane.
Quindi, secondo Galvani, il sistema muscoli e nervi si comportava come una Bottiglia di Leida, cioè un accumulatore di cariche elettriche.

Volta fu affascinato da queste scoperte, ricordo che Volta era stato allievo di Galvani, però restò dubbioso circa le conclusione di Galvani e ripartendo anche lui dalle rane approdò ad una conclusione diametralmente opposta a quella di Galvani.

Volta concludeva che "l'elettricità' animale" non esisteva ma si trattava di normale elettricità , inoltre affermava che i metalli a contatto sono motori e non semplici conduttori di elettricità', da cio' cominciava a nascere il concetto di Forza Eletromotrice.

In ultima analisi, Volta arrivò alla conclusione che le zampe di rana si comportano come dei rivelatori di elettricità e non degli accumulatori di cariche elettriche, infatti, per capire le due posizioni dei ricercatori Galvani e Volta bisogna evidenziare la differenza tra la bottiglia di Leida e l'elettroscopio.
La Bottiglia di Leida è un accumulatore di cariche elettriche in pratica l'attuale condensatore, l'Elettroscopio è un rivelatore di cariche elettriche, di qui l'enorme differenza di pensiero tra Galvani e Volta.

In conclusione chi aveva ragione? Avevano ragione tutte e due in quanto entrambi non ebbero la possibilità di completare gli studi delle reazioni che avvenivano nella rana e nella pila, si arrivò quindi, ad una situazione di parità e i due ricercatori arrivarono alla conclusione che il contatto tra metalli diversi produce una forza elettromeccanica tensione anche senza la presenza di rane.

Galvani non era nel torto in quanto i nostri nervi e quindi anche degli animali, funzionano inviando impulsi elettrici al corpo.

D'altro canto, anche la teoria di Volta non era interamente corretta in quanto lo stesso pensava che si potesse produrre corrente elettrica solo con due metalli diversi (anche se proprio lui aveva usato della chimica cioè dei dischetti di stoffa imbevuti acqua salata da mettere tra i dischetti di rame e di zinco) però non si era reso conto della reazione chimica che era alla base del passaggio di corrente nella pila da lui costruita.

E comunque tutte e due furono, senza alcun dubbio meritevoli, dell' elogio di Einstein in quanto l'invenzione della pila fece balzare il mondo scientifico molto avanti tanto che grazie agli studi di Galvani oggi siamo arrivati alla elettrofisiologia, branca importantissima nello studio del cuore, e dagli studi di Volta siamo arrivata ai semiconduttori, ai transistor, ai diodi, microchip, con tutta l'attuale e ridottissima tecnologia elettronica, che miniaturizzando e innovando ha consentito di avere un continuo progresso e miglioramento nel nostro modo di vivere.

Gli studi di Galvani e di Volta vennero ripresi da vari scienziati che ci hanno portata a capire, soprattutto dopo la scoperta e la conoscenza degli atomi, come funziona in realtà la pila di Volta.
In particolare dobbiamo a Faraday la scoperta del fenomeno della ionizzazione con i conseguenti stati di RIDUZIONE cioè acquisto di elettroni e di OSSIDAZIONE cioè cessione di elettroni.

In poche parole quello che avviene nella pila di Volta viene teorizzato da Faraday solo nel 1831 con la scoperta della ionizzazioni e degli ioni ma il meccanismo con sui si formano gli ioni si capirà' solo nel 1884.

In effetti anche la pila di Volta era un pila ad ioni, ioni di zinco e ioni di rame, il legame ionico forma molti solidi: gli ioni non sono altro atomi o gruppi di atomi che sono dotati di carica elettrica perché hanno un numero maggiore o minore di elettroni negativi rispetto ai protoni positivi , gli ioni si formano quando gli atomi (o gruppi di atomi) cedono o acquistano elettroni per avere uno strato orbitale esterno completo, l'attrazione elettrica fra ioni positivi e ioni negativi oltre a dar vita ad una corrente elettrica nelle pila di Volta fa si che ioni si uniscano per formare anche dei cristalli.

Il legame ionico è fortemente facilitato quando i materiali costituente o l'anodo o il catodo hanno nella loro struttura e nell'ultima orbita un solo elettrone, come rame, nel caso della pila di Volta e litio nelle attuali batterie al litio.

Quindi Einstein vide molto lontano quando fece l'affermazione che la pila di Volta era la base di tutte le invenzioni, infatti, dal 1800 la pila è stato l'invenzione più' utilizzata negli ultimi duecento anni subendo nel tempo diverse migliorie e adattamenti tecnologici tanto che attualmente ci consente di essere, in qualsiasi momento, collegati continuamente con il mondo intero.

Negli anni 80 inizia lo studio delle batterie agli ioni di litio, le prime batterie agli ioni di litio arrivarono sul mercato nel 1991 e da allora hanno più che moltiplicato le loro applicazioni.

Le batterie al nichel cadmio uscirono quasi subito di scena perché fortemente inquinanti e poco durevoli, rispetto a quelle a ioni di litio le quali, tra l'altro, non avevano il famigerato effetto memoria che non permetteva più di un certo numero di ricariche.

Ma la sfida attuale riguarda l'uso delle batterie agli ioni di litio nelle auto, ed in particolare della batteria al litio allo stato solido, in questo campo nel mondo, si stanno investendo più di mille miliardi di euro da parte di tutti gli Stati per arrivare ad una batteria agli ioni di litio con una autonomia di più di 600 chilometri, con un tempo di ricarica in cinque minuti ed una sicurezza assoluta contro incendi ed esplosioni.

Mentre, si progetta di avere nei prossimi anni, delle batterie agli ioni di litio o con elettrolita liquido o polimerico o addirittura allo stato solido per smartphone, computer, iPad ecc.ecc. che dureranno mesi e si ricaricheranno in pochissimi minuti.

Anche l'Italia è fortemente interessata alle batterie agli ioni di litio ma, attualmente, la ricerca è portata avanti solo dalle università manca l'importante apporto dell' industria.

Cina, Giappone, Corea, Germania, USA, stanno facendo passi da gigante per arrivare ad una batteria agli ioni di litio quasi eterna, non passerà molto tempo prima di arrivare al traguardo che non è molto lontano, anche perché la Terra sta soffrendo, e Greta non vede l'ora di guarirla ed è necessario intervenire subito riducendo in tutti i modi le emissione di CO2 e PM10.

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