Se stai leggendo questo su un telefono cellulare o un computer portatile, potresti ringraziare i tre vincitori del premio Nobel per la chimica di quest'anno per il loro lavoro sulle batterie agli ioni di litio.

Eppure le batterie sviluppate dagli inglesi, I vincitori americani e giapponesi che rendono possibili questi dispositivi sono molto più rivoluzionari che non solo per l'elaborazione e le chiamate in movimento. I traguardi raggiunti dai tre hanno anche reso più fattibile lo stoccaggio di energia da fonti rinnovabili, aprendo un fronte completamente nuovo nella lotta contro il riscaldamento globale.

"Questa è una storia carica di un enorme potenziale, ", ha detto Olof Ramstrom del comitato Nobel per la chimica.

Il premio annunciato mercoledì è andato a John B. Goodenough, 97, un professore di ingegneria americano di origine tedesca presso l'Università del Texas; il signor Stanley Whittingham, 77, un professore di chimica anglo-americano alla State University di New York a Binghamton; e Akira Yoshino, 71, dell'azienda chimica Asahi Kasei Corp. e della Meijo University in Giappone.

L'onorificenza assegnata ai tre scienziati è una pietra miliare di una tecnologia veramente trasformativa che ha permeato miliardi di vite in tutto il pianeta, compreso chiunque utilizzi telefoni cellulari, computer, pacemaker, auto elettriche e non solo.

"Il cuore del telefono è la batteria ricaricabile. Il cuore del veicolo elettrico è la batteria ricaricabile. Il successo e il fallimento di tante nuove tecnologie dipendono dalle batterie, " ha detto Alexej Jerschow, un chimico alla New York University, la cui ricerca si concentra sulla diagnostica delle batterie agli ioni di litio.

Whittingham ha espresso la speranza che i riflettori del Nobel possano dare un nuovo slancio agli sforzi per soddisfare la famelica e crescente richiesta di energia del mondo.

"Sono sopraffatto dalla gratitudine per aver ricevuto questo premio, e sinceramente ho così tante persone da ringraziare, non so da dove cominciare, " ha detto in una dichiarazione rilasciata dalla sua università. "Mi auguro che questo riconoscimento contribuirà a far luce sul futuro energetico della nazione tanto necessaria".

Abbastanza buono, che è considerato un gigante intellettuale della chimica e della fisica allo stato solido, è la persona più anziana ad aver mai vinto un premio Nobel, oltre ad Arthur Ashkin, che aveva 96 anni quando è stato insignito del Nobel per la fisica l'anno scorso. Goodenough funziona ancora tutti i giorni.

"Questa è la cosa bella:non ti fanno andare in pensione a una certa età in Texas. Ti permettono di continuare a lavorare, " ha detto ai giornalisti a Londra. "Quindi ho avuto 33 anni in più per continuare a lavorare in Texas".

Ciascuno dei tre ha avuto scoperte uniche che cumulativamente hanno gettato le basi per lo sviluppo di una batteria ricaricabile commerciale, per sostituire batterie alcaline come quelle contenenti piombo o zinco, che ha avuto origine nel XIX secolo.

Le batterie agli ioni di litio, le prime batterie veramente portatili e ricaricabili, hanno impiegato più di un decennio per svilupparsi, e ha attinto al lavoro di numerosi scienziati negli Stati Uniti, Giappone e nel mondo.

L'opera affonda le sue radici nella crisi petrolifera degli anni '70, quando Whittingham stava lavorando agli sforzi per sviluppare tecnologie energetiche senza combustibili fossili. Ha sfruttato l'enorme tendenza del litio, il metallo più leggero, a cedere i suoi elettroni per creare una batteria in grado di generare poco più di due volt.

Nel 1980, Goodenough aveva raddoppiato la capacità della batteria a quattro volt utilizzando l'ossido di cobalto nel catodo, uno dei due elettrodi, insieme all'anodo, che costituiscono le estremità di una batteria.

Ma quella batteria è rimasta troppo esplosiva per un uso commerciale generale. È qui che è arrivato il lavoro di Yoshino negli anni '80. Ha sostituito la cocaina di petrolio, un materiale di carbonio, nell'anodo della batteria. Questo passaggio ha aperto la strada al primo peso leggero, sicuro, batterie commerciali durevoli e ricaricabili da costruire ed entrare nel mercato nel 1991.

"Abbiamo avuto accesso a una rivoluzione tecnica, " ha affermato Sara Snogerup Linse del comitato Nobel per la chimica. "I vincitori hanno sviluppato batterie leggere con un potenziale sufficientemente alto da essere utili in molte applicazioni - elettronica veramente portatile:telefoni cellulari, pacemaker, ma anche auto elettriche a lunga percorrenza".

"La capacità di immagazzinare energia da fonti rinnovabili:il sole, il vento:si apre al consumo energetico sostenibile, " lei ha aggiunto.

Parlando a una conferenza stampa a Tokyo, Yoshino ha detto che pensava che ci sarebbe stata una lunga attesa prima che il comitato per il Nobel si rivolgesse alla sua specialità, ma si sbagliava. Ha dato la notizia a sua moglie, che era sorpreso quanto lui.

"Ho solo parlato con lei brevemente e ho detto, 'Capito, ' e sembrava così sorpresa che le sue ginocchia quasi cedettero, " Egli ha detto.

Il trio condividerà 9 milioni di corone (918 dollari, 000) premio in denaro. Le loro medaglie d'oro e diplomi saranno conferiti a Stoccolma il 10 dicembre, anniversario della morte del fondatore del premio Alfred Nobel nel 1896.

Martedì, Il canadese James Peebles ha vinto il premio Nobel per la fisica per le sue scoperte teoriche in cosmologia insieme agli scienziati svizzeri Michel Mayor e Didier Queloz, che sono stati onorati per aver trovato un esopianeta, un pianeta al di fuori del nostro sistema solare, che orbita attorno a una stella di tipo solare.

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Gli americani William G. Kaelin Jr. e Gregg L. Semenza e il britannico Peter J. Ratcliffe hanno vinto lunedì il premio Nobel per i progressi nella fisiologia o nella medicina. Sono stati citati per le loro scoperte su "come le cellule percepiscono e si adattano alla disponibilità di ossigeno".

Giovedì saranno annunciati due premi Nobel per la letteratura, uno per il 2018 e uno per il 2019, perché il premio dell'anno scorso è stato sospeso dopo che uno scandalo di abusi sessuali ha scosso l'Accademia svedese. L'ambito premio Nobel per la pace è venerdì e il premio per l'economia sarà annunciato lunedì.

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Comunicato stampa:Il Premio Nobel per la Chimica 2019

La Royal Swedish Academy of Sciences ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Chimica 2019 a

John B. Goodenough
L'Università del Texas ad Austin, Stati Uniti d'America

M. Stanley Whittingham
Università di Binghamton, Università statale di New York, Stati Uniti d'America

Akira Yoshino
Asahi Kasei Corporation, Tokio, Giappone
Università Meijo, Nagoya, Giappone

"per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio"

Hanno creato un mondo ricaricabile

Il Premio Nobel per la Chimica 2019 premia lo sviluppo della batteria agli ioni di litio. Questo leggero, la batteria ricaricabile e potente è ora utilizzata in tutto, dai telefoni cellulari ai laptop e ai veicoli elettrici. Può anche immagazzinare quantità significative di energia da energia solare ed eolica, rendendo possibile una società senza combustibili fossili.

Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate in tutto il mondo per alimentare l'elettronica portatile che utilizziamo per comunicare, opera, studio, ascoltare musica e ricercare la conoscenza. Le batterie al litio hanno inoltre consentito lo sviluppo di auto elettriche a lungo raggio e lo stoccaggio di energia da fonti rinnovabili, come l'energia solare ed eolica.

Le fondamenta della batteria agli ioni di litio sono state poste durante la crisi petrolifera negli anni '70. Stanley Whittingham ha lavorato allo sviluppo di metodi che potrebbero portare a tecnologie energetiche senza combustibili fossili. Ha iniziato a ricercare i superconduttori e ha scoperto un materiale estremamente ricco di energia, che ha usato per creare un catodo innovativo in una batteria al litio. Questo è stato fatto da disolfuro di titanio che, a livello molecolare, dispone di spazi che possono ospitare – intercalare – ioni di litio.

L'anodo della batteria era parzialmente realizzato in litio metallico, che ha una forte spinta a rilasciare elettroni. Ciò ha portato a una batteria che aveva letteralmente un grande potenziale, poco più di due volt. Però, il litio metallico è reattivo e la batteria era troppo esplosiva per essere praticabile.

John Goodenough predisse che il catodo avrebbe avuto un potenziale ancora maggiore se fosse stato realizzato utilizzando un ossido di metallo invece di un solfuro di metallo. Dopo una ricerca sistematica, nel 1980 dimostrò che l'ossido di cobalto con ioni di litio intercalati può produrre fino a quattro volt. Questa è stata una svolta importante e avrebbe portato a batterie molto più potenti.

Con il catodo di Goodenough come base, Akira Yoshino ha creato la prima batteria agli ioni di litio commercialmente valida nel 1985. Invece di utilizzare il litio reattivo nell'anodo, usava coke di petrolio, un materiale di carbonio che, come l'ossido di cobalto del catodo, può intercalare gli ioni di litio.

Il risultato è stato un peso leggero, batteria resistente che potrebbe essere caricata centinaia di volte prima che le sue prestazioni si deteriorassero. Il vantaggio delle batterie agli ioni di litio è che non si basano su reazioni chimiche che rompono gli elettrodi, ma su ioni di litio che scorre avanti e indietro tra l'anodo e il catodo.

Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato le nostre vite da quando sono entrate nel mercato per la prima volta nel 1991. Hanno gettato le basi di un sistema wireless, società senza combustibili fossili, e sono del massimo beneficio per l'umanità.

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Sfondo scientifico popolare

Hanno sviluppato la batteria più potente del mondo

Il Premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino per i loro contributi allo sviluppo della batteria agli ioni di litio. Questa batteria ricaricabile ha gettato le basi dell'elettronica wireless come telefoni cellulari e laptop. Rende anche possibile un mondo senza combustibili fossili, poiché viene utilizzato per tutto, dall'alimentazione delle auto elettriche allo stoccaggio di energia da fonti rinnovabili.

Raramente un elemento gioca un ruolo centrale in un dramma, ma la storia del Premio Nobel per la Chimica 2019 ha un chiaro protagonista:il litio, un elemento antico che è stato creato durante i primi minuti del Big Bang. L'umanità ne venne a conoscenza nel 1817, quando i chimici svedesi Johan August Arfwedson e Jöns Jacob Berzelius lo purificarono da un campione minerale della miniera di Utö, nell'arcipelago di Stoccolma.

Berzelius chiamò il nuovo elemento dalla parola greca per pietra, lito. Nonostante il suo nome pesante, è l'elemento solido più leggero, ecco perché a malapena notiamo i telefoni cellulari che ora portiamo in giro.

Per essere completamente corretti, i chimici svedesi in realtà non hanno trovato puro litio metallico, ma ioni di litio sotto forma di sale. Il litio puro ha attivato molti allarmi antincendio, non da ultimo nella storia che racconteremo qui; è un elemento instabile che deve essere immagazzinato nell'olio in modo che non reagisca con l'aria.

La debolezza del litio – la sua reattività – è anche la sua forza. All'inizio degli anni Settanta, Stanley Whittingham utilizzò l'enorme spinta del litio per rilasciare il suo elettrone esterno quando sviluppò la prima batteria al litio funzionante. Nel 1980, John Goodenough ha raddoppiato il potenziale della batteria, creando le giuste condizioni per una batteria molto più potente e utile. Nel 1985, Akira Yoshino è riuscito ad eliminare il litio puro dalla batteria, basandolo invece interamente sugli ioni di litio, che sono più sicuri del litio puro. Ciò ha reso la batteria praticabile. Le batterie agli ioni di litio hanno portato il massimo beneficio all'umanità, in quanto hanno consentito lo sviluppo di computer portatili, cellulari, veicoli elettrici e lo stoccaggio dell'energia generata da energia solare ed eolica.

Ora faremo un salto indietro di cinquant'anni nel tempo, all'inizio della storia altamente carica della batteria agli ioni di litio.

La nebbia della benzina rivitalizza la ricerca sulle batterie

A metà del XX secolo, il numero di auto a benzina nel mondo è aumentato in modo significativo, e i loro gas di scarico hanno aggravato il dannoso smog che si trova nelle grandi città. Questo, combinato con la crescente consapevolezza che il petrolio è una risorsa finita, ha lanciato un allarme sia per i produttori di veicoli che per le compagnie petrolifere. Avevano bisogno di investire in veicoli elettrici e fonti di energia alternative se le loro attività volevano sopravvivere.

Sia i veicoli elettrici che le fonti alternative di energia richiedono batterie potenti in grado di immagazzinare grandi quantità di energia. All'epoca sul mercato c'erano davvero solo due tipi di batterie ricaricabili:la pesante batteria al piombo che era stata inventata nel 1859 (e che è ancora usata come batteria di avviamento nelle auto a benzina) e la batteria al nichel-cadmio che si è sviluppato nella prima metà del XX secolo.

Le compagnie petrolifere investono in nuove tecnologie

La minaccia dell'esaurimento del petrolio ha provocato un gigante petrolifero, Exxon, decidere di diversificare le proprie attività. In un importante investimento nella ricerca di base hanno reclutato alcuni dei più importanti ricercatori di quel tempo nel campo dell'energia, dando loro la libertà di fare più o meno quello che volevano, purché non si trattasse di petrolio.

Stanley Whittingham fu tra coloro che si trasferirono alla Exxon nel 1972. Veniva dalla Stanford  University, dove la sua ricerca aveva incluso materiali solidi con spazi delle dimensioni di un atomo in cui possono attaccarsi ioni carichi. Questo fenomeno è chiamato intercalazione. Le proprietà dei materiali cambiano quando gli ioni vengono catturati al loro interno. All'Exxon, Stanley Whittingham e i suoi colleghi hanno iniziato a indagare sui materiali superconduttori, compreso disolfuro di tantalio, che possono intercalare ioni. Hanno aggiunto ioni al disolfuro di tantalio e hanno studiato come fosse influenzata la sua conduttività.

Whittingham scopre un materiale estremamente denso di energia

Come spesso accade nella scienza, questo esperimento ha portato a una scoperta inaspettata e preziosa. Si è scoperto che gli ioni di potassio hanno influenzato la conduttività del disolfuro di tantalio, e quando Stanley Whittingham iniziò a studiare il materiale in dettaglio, osservò che aveva una densità di energia molto alta. Le interazioni sorte tra gli ioni potassio e il disolfuro di tantalio erano sorprendentemente ricche di energia e, quando ha misurato la tensione del materiale, erano un paio di volt. Questo era meglio di molte delle batterie di quel tempo. Stanley Whittingham si rese subito conto che era ora di cambiare rotta, passare allo sviluppo di nuove tecnologie in grado di immagazzinare energia per i veicoli elettrici del futuro. Però, il tantalio è uno degli elementi più pesanti e il mercato non aveva bisogno di essere caricato con batterie più pesanti, quindi ha sostituito il tantalio con il titanio, un elemento che ha proprietà simili ma è molto più leggero.

Litio nell'elettrodo negativo

Il litio non dovrebbe avere un posto d'onore in questa storia? Bene, è qui che entra in gioco il litio, come elettrodo negativo sull'innovativa batteria di Stanley Whittingham. Il litio non è stata una scelta casuale; in una batteria, gli elettroni dovrebbero fluire dall'elettrodo negativo – l'anodo – a quello positivo – il catodo. Perciò, l'anodo dovrebbe contenere un materiale che cede facilmente i suoi elettroni e, di tutti gli elementi, il litio è quello che rilascia più volentieri elettroni.

Il risultato è stata una batteria al litio ricaricabile che funzionava a temperatura ambiente e – letteralmente – aveva un grande potenziale. Stanley Whittingham si è recato al quartier generale della Exxon a New York per parlare del progetto. L'incontro è durato circa quindici minuti, con il gruppo di gestione che successivamente ha preso una decisione rapida:avrebbero sviluppato una batteria commercialmente valida utilizzando la scoperta di Whittingham.

La batteria esplode e il prezzo del petrolio scende

Sfortunatamente, il gruppo che doveva iniziare a produrre la batteria subì alcune battute d'arresto. Poiché la nuova batteria al litio veniva caricata ripetutamente, sottili baffi di litio crescevano dall'elettrodo di litio. Quando raggiunsero l'altro elettrodo, la batteria in cortocircuito che potrebbe provocare un'esplosione. I vigili del fuoco hanno dovuto spegnere una serie di incendi e alla fine hanno minacciato di far pagare al laboratorio le speciali sostanze chimiche utilizzate per spegnere gli incendi al litio.

Per rendere la batteria più sicura, l'alluminio è stato aggiunto all'elettrodo di litio metallico e l'elettrolita tra gli elettrodi è stato cambiato. Stanley Whittingham annunciò la sua scoperta nel 1976 e la batteria iniziò a essere prodotta su piccola scala per un orologiaio svizzero che voleva utilizzarla in orologi a energia solare.

L'obiettivo successivo era aumentare la batteria al litio ricaricabile in modo che potesse alimentare un'auto. Però, il prezzo del petrolio è sceso drasticamente all'inizio degli anni '80 e la Exxon ha dovuto effettuare dei tagli. Il lavoro di sviluppo è stato interrotto e la tecnologia delle batterie di Whittingham è stata concessa in licenza a tre diverse società in tre diverse parti del mondo.

Però, questo non significava che lo sviluppo si fosse fermato. Quando Exxon si arrese, John Goodenough ha preso il sopravvento.

La crisi petrolifera fa interessare Goodenough alle batterie

Come un bambino, John Goodenough ha avuto notevoli problemi nell'imparare a leggere, questo fu uno dei motivi per cui fu attratto dalla matematica e alla fine, dopo la seconda guerra mondiale, anche dalla fisica. Ha lavorato per molti anni al Lincoln Laboratory presso il Massachusetts Institute of Technology, MIT. mentre lì, ha contribuito allo sviluppo della memoria ad accesso casuale (RAM) che è ancora una componente fondamentale dell'informatica.

John Goodenough, come tante altre persone negli anni '70, è stata colpita dalla crisi petrolifera e ha voluto contribuire allo sviluppo di fonti energetiche alternative. Però, il Lincoln Laboratory è stato finanziato dalla US Air Force e non ha permesso tutti i tipi di ricerca, così quando gli fu offerta una posizione come professore di chimica inorganica all'Università di Oxford in Gran Bretagna, ha colto l'occasione ed è entrato nell'importante mondo della ricerca energetica.

Alte tensioni quando gli ioni di litio si nascondono nell'ossido di cobalto

John Goodenough sapeva della rivoluzionaria batteria di Whittingham, ma la sua conoscenza specialistica dell'interno della materia gli diceva che il suo catodo avrebbe potuto avere un potenziale maggiore se fosse stato costruito usando un ossido di metallo invece di un solfuro di metallo. Alcune persone nel suo gruppo di ricerca sono state quindi incaricate di trovare un ossido di metallo che produceva un alto voltaggio quando intercalava gli ioni di litio, ma che non è crollato quando gli ioni sono stati rimossi.

Questa ricerca sistematica ebbe più successo di quanto John Goodenough avesse osato sperare. La batteria di Whittingham generava più di due volt, ma Goodenough scoprì che la batteria con ossido di litio-cobalto nel catodo era quasi due volte più potente, a quattro volt.

Una chiave di questo successo è stata la realizzazione di John Goodenough che le batterie non devono essere prodotte nel loro stato di carica, come era stato fatto in precedenza. Anziché, potrebbero essere addebitati in seguito. Nel 1980, pubblicò la scoperta di questo nuovo, materiale catodico ad alta densità energetica che, nonostante il suo peso ridotto, ha portato a potenti, batterie ad alta capacità. Questo è stato un passo decisivo verso la rivoluzione wireless.

Le aziende giapponesi vogliono batterie leggere per la nuova elettronica

Però, nell'ovest, man mano che il petrolio diventava più economico, l'interesse per gli investimenti nella tecnologia delle energie alternative e nello sviluppo di veicoli elettrici è impallidito. Le cose erano diverse in Giappone; le aziende di elettronica erano alla disperata ricerca di leggerezza, batterie ricaricabili che potrebbero alimentare elettronica innovativa, come videocamere, telefoni cordless e computer. Una persona che ha visto questa necessità è stata Akira Yoshino della Asahi Kasei Corporation. O come ha detto lui:"Ho appena annusato la direzione in cui si stavano muovendo le tendenze. Si potrebbe dire che avevo un buon senso dell'olfatto".

Yoshino costruisce la prima batteria agli ioni di litio commercialmente valida

Quando Akira Yoshino ha deciso di sviluppare una batteria ricaricabile funzionale, aveva l'ossido di litio-cobalto di Goodenough come catodo e provò a usare vari materiali a base di carbonio come anodo. I ricercatori avevano precedentemente dimostrato che gli ioni di litio potrebbero essere intercalati negli strati molecolari della grafite, ma la grafite è stata scomposta dall'elettrolita della batteria. Il momento eureka di Akira Yoshino è arrivato quando ha invece provato a usare la cocaina di petrolio, un sottoprodotto dell'industria petrolifera. Quando ha caricato il coke di petrolio con gli elettroni, gli ioni di litio sono stati aspirati nel materiale. Quindi, quando ha acceso la batteria, gli elettroni e gli ioni di litio fluivano verso l'ossido di cobalto nel catodo, che ha un potenziale molto più alto.

La batteria sviluppata da Akira Yoshino è stabile, leggero, ha un'elevata capacità e produce un notevole quattro volt. Il più grande vantaggio della batteria agli ioni di litio è che gli ioni sono intercalati negli elettrodi. La maggior parte delle altre batterie si basa su reazioni chimiche in cui gli elettrodi vengono cambiati lentamente ma inesorabilmente. Quando si carica o si utilizza una batteria agli ioni di litio, gli ioni scorrono tra gli elettrodi senza reagire con l'ambiente circostante. Ciò significa che la batteria ha una lunga durata e può essere caricata centinaia di volte prima che le sue prestazioni si deteriorino.

Un altro grande vantaggio è che la batteria non ha litio puro. Nel 1986, quando Akira Yoshino stava testando la sicurezza della batteria, ha esercitato cautela e ha utilizzato una struttura progettata per testare ordigni esplosivi. Ha lasciato cadere un grosso pezzo di ferro sulla batteria, ma non è successo niente. Però, ripetendo l'esperimento con una batteria che conteneva litio puro, c'è stata una violenta esplosione.

Il superamento dei test di sicurezza è stato fondamentale per il futuro della batteria. Akira Yoshino afferma che questo è stato "il momento in cui è nata la batteria agli ioni di litio".

La batteria agli ioni di litio:necessaria per una società senza combustibili fossili

Nel 1991, un'importante azienda di elettronica giapponese ha iniziato a vendere le prime batterie agli ioni di litio, portando a una rivoluzione nell'elettronica. I telefoni cellulari si sono ridotti, i computer sono diventati portatili e sono stati sviluppati lettori MP3 e tablet.

Successivamente, ricercatori di tutto il mondo hanno cercato nella tavola periodica alla ricerca di batterie ancora migliori, ma nessuno è ancora riuscito a inventare qualcosa che batte l'elevata capacità e tensione della batteria agli ioni di litio. Però, la batteria agli ioni di litio è stata cambiata e migliorata; tra l'altro, John Goodenough ha sostituito l'ossido di cobalto con il fosfato di ferro, che rende la batteria più rispettosa dell'ambiente.

Come quasi tutto il resto, la produzione di batterie agli ioni di litio ha un impatto sull'ambiente, ma ci sono anche enormi benefici ambientali. La batteria ha consentito lo sviluppo di tecnologie energetiche più pulite e veicoli elettrici, contribuendo così alla riduzione delle emissioni di gas serra e particolato.

Attraverso il loro lavoro, John Goodenough, Stanley Whittingham and Akira Yoshino have created the right conditions for a wireless and fossil fuel-free society, and so brought the greatest benefit to humankind.

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