La recente evoluzione tecnica e tecnologica nel campo della ricerca a nuove o “pseudo” nuove fonti energetiche accompagnata dalle speculazioni sui prezzi del petrolio ha portato numerose industrie, tra cui le case automobilistiche, a sviluppare una vera e propria corsa a pile e batterie di nuova generazione (lithium-based). Pare che la Nissan Motor Co.Ltd., società automobilistica storica giapponese fondata nel 1934, e la NEC (Nippon Elecetric Company) abbiano investito oltre 70 milioni di euro per la ricerca e lo sviluppo di batteria agli ioni litio. La società creata ad hoc, AESC, si occuperà dello scale-up e della produzione in serie. Per sostenere la produzione NEC investirà 11,0 miliardi di yen (105,1 milioni di dollari USA) nel proprio stabilimento NEC di Sagamihara nel corso dei prossimi tre anni, per la produzione in serie di elettrodi al litio-manganese entro il 2009.

Fine ultimo sarà la commercializzazione delle batterie alle case automobilistiche di tutto il mondo, quindi non solo per i veicoli del gruppo Renualt-Nissan, e la conquista della leadership del settore. Le prime applicazioni commerciali partiranno dai mezzi da lavoro e carrelli elevatori già l'anno prossimo, e successivamente toccherà alle automobili (si pensi alla concept car "Nissan Pivo2"). La stessa Sanyo Electric ha recentemente annunciato che a partire dal 2009 inizierà la produzione in larga scala di batterie al litio destinate a vetture ibride 

Le prossime tappe della joint-venture NEC-NISSAN prevedono una sinergia col progetto "Better Place" di Shai Agassi impegnato in radicali investimenti atti a diffondere l'auto elettrica insieme al gruppo Renault-Nissan in Israele e Danimarca, in vista della prossima totale motorizzazione di Cina e India che porterà ad oltre un miliardo le autovetture in circolazione entro il prossimo decennio.

Le azioni future dunque saranno volte a costituire infrastrutture e modelli economici ed energetici (500 mila colonnine di ricarica) in grado di sostenere l'auto a batteria al litio. In Giappone, ad esempio, la prefettura di Kanagawa ha concluso un accordo con Nissan per un analogo progetto che punta all'introduzione di almeno 3 mila automobili entro il 2014 attraverso sussidi ed esenzioni fiscali (fonte www.omniauto.it).

Le batterie attualmente più diffuse sono gli accumulatori al piombo (tensione nominale 2V), nelle loro varianti, piombo-acido, piombo-gel, ermetiche, piombo-calcio e costituiscono la più vecchia e diffusa tecnologia di accumulatori. Hanno un costo piuttosto limitato ed un'energia specifica riferita al volume di poco inferiore agli accumulatori al nichel-cadmio, mentre l'energia specifica riferita al peso non è delle migliori, come ben si sa. Le batterie di questo tipo utilizzate in ambiente industriale, variano come capacità da 50 A/h a 5000 A/h. La loro autoscarica è inferiore allo 0,1 % al giorno a temperatura ambiente e non risentono di nessun fenomeno di memoria, nonostante i ripetuti brevi utilizzi e le continue scariche e ricariche cui possono essere sottoposte. La potenziale espolosività legata allo sviluppo di idrogeno durante la fase finale della carica e la presenza del piombo (agente cancerogeno-teratogeno) che deve essere smaltito secondo precise modalità, sono i maggiori svantaggi (oltre al peso) che questi accumulatori si portano addosso.Per queste batterie vanno adottati dei programmi di manutenzione (in maniera limitata anche per il tipo ermetico) che consistono nella verifica della densità del liquido, nell'ispezione visiva delle interconnessioni fra elementi in serie, nell'aggiunta di elettrolito o acqua, se necessario.  Il ciclo di vita non è elevatissimo con una durata che dopo i 200 cicli risulta avere una capacità inferiore all'80% del valore nominale.

Le batterie al litio, invece, come le stesse pile al litio, sfruttano l'alto potenziale elettrochimico del litio (a fronte di un basso sovrapotenziale) e il suo basso peso specifico (tensione nominale 3 V). Altri vantaggi consistono in un'elevata energia specifica (sia di massa che di volume), in una lunga durata in cicli ed in una minima autoscarica. Infine, con gli accumulatori al litio non si corre il rischio di contaminare l'ambiente (a differenza di quanto avviene con gli accumulatori al cadmio). I tempi di ricarica sono molto brevi e per giunta senza effetto memoria, anche se necessitano di un caricatore particolare. Il loro costo (400-600 € kWh) non aiuta la loro diffusione sul mercato, che pure è in espansione particolarmente per PC portatili, telefoni cellulari e videoregistratori (fonte www.elektro.it). L'unico svantaggio della batteria al Li-Ion è che la sua durata dipende dall'anno di produzione, senza dipendere dal fatto che sia stata caricata, e non solo dal numero di cicli di carica/scarica. Questo svantaggio non è molto pubblicizzato. Ad un livello di carica del 100%, una tipica batteria per laptop al Li-Ion che è piena a 25 gradi Celsius o 77 gradi Fahrenheit, perderà irreversibilmente approssimativamente il 20% della capacità all'anno. Tuttavia una batteria installata in un laptop poco ventilato, potrebbe venire esposta a temperature molto più alte di 25 °C, il che abbrevia significativamente la sua vita. La perdita di capacità comincia dal momento in cui la batteria è stata fabbricata, e avviene anche qualora la batteria non venga usata. Diverse temperature di stoccaggio provocano diversi risultati di perdita: il 6% a 0 °C/32 °F, 20% a 25 °C/77 °F, e 35% a 40 °C/104 °F. Quando immagazzinata al 40% di carica questi numeri si riducono al 2%, 4% e 15% a 0, 25 e 40 gradi Celsius rispettivamente. Per questo gli accumulatori Li-Ion non sono adatti ad essere usate come fonte secondaria di energia: per questa applicazione sono più indicati gli accumulatori al piombo, o anche le batterie al Ni-MH.

Il litio dunque appare un materiale di elezione ai fini suddetti anche in considerazione del fatto che esso è assai abbondante in natura pur non trovandosi però in forma libera a causa della sua alta reattività. Si trova in minima parte in quasi tutte le rocce ignee ed anche in molte salamoie naturali. A partire dalla fine della seconda guerra mondiale, la produzione di litio è cresciuta notevolmente, attraverso la separazione del metallo dagli altri elementi delle rocce ignee, o attraverso l’esdtrazione da alcune sorgenti di acqua minerale. Lepidolite, spodumene, petalite, e amblygonite sono i principali minerali che lo contengono.

Tutto questo ci riporta dunque ad una spesa energetica di produzione che comunque non deve essere trascurata nell’applicazione dello stesso in manufatti finiti. Oggi il litio infatti viene prodotto per via elettrolitica da una miscela di cloruro di litio e cloruro di potassio fusi. Va comunque ricordato che le batterie al litio non sono una scoperta recente (lo è solo il loro utilizzo su vasta scala), infatti Gilbert N. Lewis fabbricò le prime batterie al litio nel 1912. anche se la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991, a seguito di una ricerca di un team diretto da John B. Goodenough (fonte www.wikipedia.it).

Le norme internazionali sulle merci pericolose non possono quindi rimanere in stand-by a fronte di questo sviluppo, pertanto già a partire dall’anno prossimo vi saranno rilevanti novità.

Già l’accordo ADR 2007 prevedeva una stretta regolamentazione  delle modalità gestionali degli accumulatori al Piombo riempiti di elettrolita acido (acido solforico) e codificati con rubrica UN 2794 e delle pile al litio (UN 3090-pile al litio e 309-pile al litio contenute in un dispositivo), con la consueta revisione biennale, l’edizione 2009 introduce 14 nuove rubriche, integrando il gruppo delle batterie con i numeri UN 3476, 3477, 3478, 3479, concernenti le pile a combustibile.

Viene inoltre introdotta una nuova esenzione per le batterie e le pile al litio alla sezione 1.1.3.7 che integra quelle già esistenti.

Ricordo che, ai sensi della disposizione speciale n.188 dell’accordo ADR, le pile e batterie al litio, presentate al trasporto, non sono sottoposte alle disposizioni dell'ADR se esse soddisfano le seguenti disposizioni:

- per una pila al litio metallico o lega di litio, il tenore in litio non è superiore a 1 g, e, per una pila al litio ionico, il tenore in litio equivalente non è superiore a 1,5 g;

- per una batteria al litio metallico o lega di litio, il tenore in litio complessivo non è superiore a 2 g e, per una pila al litio ionico, il tenore in litio complessivo equivalente non è superiore a 8 g;

- risulta dimostrato che il prototipo di ogni pila o batteria al litio soddisfa le prescrizioni di ogni prova della sottosezione 38.3 della parte III del Manuale delle prove e dei criteri;

- le pile e le batterie sono isolate in modo da impedire il cortocircuito e sono sistemate in imballaggi robusti, salvo se esse sono installate in apparecchiature;

- a meno che non siano installate in apparecchiature ogni collo contenente più di 24 pile o più di 12 batterie al litio deve inoltre soddisfare le seguenti disposizioni: ogni collo deve recare un marchio indicante che esso contiene batterie al litio e che devono essere applicate procedure speciali nel caso in cui esso risulti danneggiato; ogni spedizione deve essere accompagnata da un documento indicante che i colli contengono batterie al litio e che devono essere applicate disposizioni speciali nel caso in cui esso risulti danneggiato; ogni collo deve poter resistere ad una prova di caduta da una altezza di 1.2 m, qualunque sia il suo orientamento, senza che le pile o le batterie che contiene risultino danneggiate, senza che il suo contenuto si sia spostato in modo tale che le batterie (o le pile) entrino in contatto, e senza che si abbia rilascio del contenuto; i colli, ad eccezione di quelli contenenti batterie al litio imballate con l’apparecchiatura, non possono superare la massa lorda di 30 kg.

Ricordo che per l’ADR, l’espressione “tenore in litio” designa la massa di litio presente nell’anodo di una pila al litio metallico o lega di litio, salvo che nel caso di una pila al litio ionico, nel qual caso il “tenore in litio equivalente” è fissato a 0,3 volte la capacità nominale in ampere-ora.

La disposizione speciale n.230, altresì applicabile, concernente le pile e le batterie al litio, in qualunque forma esso sia, compreso il litio polimerico ed il litio ionico, consente di ricomprendere nelle rubriche 3090 3091 e batterie che soddisfano le seguenti disposizioni:

- risulta dimostrato che ogni tipo di pila o di batteria soddisfa le prescrizioni di ogni prova della sottosezione 38.3 della parte III del Manuale delle prove e dei criteri;

- ogni pila e ogni batteria deve avere incorporato un dispositivo di protezione contro le sovrapressioni interne o deve essere progettata in modo da impedire una violenta rottura nelle normali condizioni di trasporto;

- le pile e le batterie devono essere equipaggiate con un dispositivo efficace per prevenire i cortocircuiti esterni;

- ogni batteria contenente pile o serie di pile collegate in parallelo deve essere equipaggiata con mezzi efficaci per impedire le inversioni di corrente (per esempio: diodi, fusibili, ecc.).

Nell’edizione ADR 2009, la disposizione suddetta prevederà una nuova unità di riferimento per l’esenzione: l’ energia nominale in wattora (Wh). Quest'ultima non può superare le 20 Wh per le pile e le 100 Wh per le batterie.

Dal 2009 verrà inoltre richiesta la designazione in colli di cui alla lettera se il collo comprende più di 4 pile contenute in equipaggiamento o più di 2 batterie contenute in equipaggiamento.

Si applica inoltre la disposizione speciale n. 310, limitatamente alle pile al litio secondo la quale, le prescrizioni delle prove della sottosezione 38.3 del Manuale delle prove e dei criteri non si applicano alle serie di produzione che si compongono al massimo di 100 pile e batterie al litio o ai prototipi di pre-produzione di pile e batterie al litio quando questi prototipi sono trasportati per essere provati, se:

-  le pile e le batterie sono trasportate in un imballaggio esterno quale fusto di metallo, di plastica o di legno compensato o una cassa di legno, di metallo o di plastica, e rispondente ai criteri del gruppo di imballaggio I;

- ogni pila o batteria è individualmente imballata in un imballaggio interno sistemato nell’imballaggio esterno e avvolta con materiale di imbottitura non combustibile e non conduttore.

La norma sulle merci pericolose e sul loro trasporto prevede inoltre una particolare disposizione (n.636) applicabile all’atto dello smaltimento delle batterie al litio. Le pile e le batterie al litio usate, raccolte e presentate al trasporto in previsione della loro eliminazione, tra i punti di raccolta per i consumatori e i luoghi di trattamento intermedio, da sole o insieme a pile e batterie non al litio, non sono sottoposte alle disposizioni dell'ADR se soddisfano le seguenti condizioni:

- la massa lorda di ogni pila o batteria al litio non deve superare 500 g (rif. ADR 2009);

- sono rispettate determinate disposizioni di imballaggio ADR.

Le pile contenute in un equipaggiamento non devono potersi scaricare durante il trasporto al punto che la tensione a circuito aperto sia inferiore a 2 volt o a 2/3 della tensione della pila non scaricata, quale dei due valori risulti inferiore. I colli contenenti batterie o pile usate, in imballaggi non marcati, devono recare l’iscrizione “PILE AL LITIO USATE”.

Quanto esposto in questa breve nota indica come anche a livello di norme in materia di gestione delle merci pericolose l’adeguamento al progresso tecnico e allo sviluppo sostenibile avviene contestualmente alla ricerca industriale ed ai risultati ottenuti. Rimane di fatto un dubbio relativo alla futura invasione del litio nella nostra vita quotidiana, per altro già abbondantemente utilizzato nei telefoni cellulari, nei computer e nelle altre apparecchiature portatili e tale dubbio è relativo al ciclo di vita del prodotto.

La chimica delle batterie Li-Ion, infatti, non è sicura come le altre in tutto il “Life Cycle”. Una pila al Li-Ion richiede diversi sistemi di sicurezza obbligatori al suo interno, prima che si possa considerare sicura per l'uso fuori da un laboratorio. Questi includono un interruttore termico (per prevenire il surriscaldamento in caso di sovraccarico) e una linguetta di sicurezza con valvola di sfiato (per rilasciare la pressione interna). Nonostante queste caratteristiche di sicurezza, le batterie Li-Ion sono soggette a frequenti richiami; inoltre, tali sistemi occupano spazio utile all'interno delle pile, oltre ad aggiungere ulteriori possibilità di guasto. Di solito, in caso di problemi a questi sistemi, la pila è resa inutilizzabile permanentemente e irreversibilmente.

Il numero di caratteristiche di sicurezza può essere paragonato con quello della pila al nichel metal-idrato, la quale ha solo un sistema di ricombinazione dell'idrogeno/ossigeno (che previene il danno da lieve sovraccarica) e una valvola per il back-up della pressione.

Attualmente sono in corso ricerche con l'obiettivo di sviluppare batterie al Li-Ion alternative, che risultino sicure con meno o nessun sistema di sicurezza (fonte www.wikipedia.it). Le batterie agli ioni di litio si possono inoltre facilmente rompere, prendere  fuoco o esplodere quando sono esposte alle alte temperature, o alla luce diretta del sole. Cortocircuitare una batteria al litio può causare incendi ed esplosioni.

Il contenitore di una batteria al Li-Ion non va mai aperto per nessun motivo, esse contengono dispositivi di sicurezza che proteggono le pile, se danneggiati, queste possono anche causare l'incendio o l'esplosione della batteria. I contaminanti all'interno delle pile possono disabilitare questi dispositivi di sicurezza. Il richiamo di più di 10 milioni di batterie utilizzate in laptop Dell, Apple, Lenovo/IBM, Panasonic, Toshiba, Hitachi, Fujitsu e Sharp da parte della Sony a metà del 2006 fu una conseguenza della contaminazione interna da parte di particelle metalliche. Sotto certe circostanze, queste possono perforare il separatore, cortocircuitandole e convertendo rapidamente tutta l'energia della pila in calore e questo dato deve far riflettere sull’utilizzo attuale nelle vetture anche se, ricordo, che densità di energia delle batterie agli ioni di litio è più che raddoppiata da quando sono state introdotte nel 1991. Il richiamo delle batterie per laptop della Dell della metà del 2006 non è stato il primo, ma solo il più grande. Durante la passata decade ci sono stati numerosi richiami di batterie agli ioni di litio in telefoni cellulari e laptop dovuti a problemi di surriscaldamento. Lo scorso dicembre, la Dell ritirò circa 22.000 batterie dal mercato americano. Nel 2004, la Kyocera Wireless richiamò circa un milione di batterie usate nei telefoni. È possibile rimpiazzare il catodo in ossido di litio e cobalto nelle batterie agli ioni di litio con catodi in metallo fosfato litiato, che non esplode e ha anche una maggiore vita di scaffale. Ma per il momento queste batterie più sicure sembrano principalmente destinate alle automobili elettriche e altre applicazioni che necessitano grandi capacità, e dove le  problematiche di sicurezza sono più critiche anche se il fosfato litiato tiene soltanto circa il 75% della capacità.

Concludendo, se il recupero del litio è possibile e già sfruttato non è altrettanto semplice recuperare l’intera batteria o pila, il suo smaltimento inoltre è ancora più difficoltoso in quanto il litio (a livello metallico) genera, in determinate condizioni, gas infiammabili, è corrosivo, nocivo e sensibilizzante, pertanto richiede condizioni di trattamento finale particolari.

 Filippo Bonfatti