Una nuova fase per l'elettronica di consumo e i trasporti

L'avvento della cosiddetta "tecnologia del litio" ha giocato un ruolo primario per le linee strategiche del futuro, puntando sulla realizzazione di prototipi innovativi

Non molti anni fa l'industria degli accumulatori era generalmente considerata come un settore maturo in conseguenza del limitato numero di applicazioni previste e delle prestazioni raggiunte dai prodotti allora disponibili sul mercato.

Più recentemente, i problemi legati ai fattori energetici ed ambientali nonché l'espansione delle possibili applicazioni delle sorgenti di energia elettrochimica hanno fatto sì che questo settore industriale, relativamente maturo all'inizio degli anni '80, sia oggi tra quelli a maggior tasso di crescita. Questa rinascita è dovuta largamente all'impatto che i sistemi di accumulo elettrochimico hanno su due aree:

a) l'elettronica di consumo, dove è sempre maggiore la richiesta di batterie primarie e secondarie che assolvano da una parte alle esigenze di riduzione del tasso di inquinamento ambientale (le "pile" sono oggi raccolte come rifiuti speciali); e dall'altra forniscano l'energia sufficiente a carte intelligenti, calcolatori, orologi elettrici, telefoni cellulari, videocamere, riproduttori di CD di tipo personal e "lap-top" computers;

b) il settore dei trasporti, con particolare riguardo alle problematiche ambientali e sociali legate allo sviluppo di un autoveicolo di nuova concezione che possa, in un prossimo futuro, diminuire se non risolvere i problemi dell'inquinamento, soprattutto nelle aree metropolitane. Tra le varie soluzioni possibili per il ciclo urbano troviamo anche l'auto completamente elettrica, vale a dire il veicolo ad emissione zero, per il quale sono richiesti accumulatori innovativi con caratteristiche energetiche superiori agli attuali accumulatori al Nikel o Piombo, che comunque limitano fortemente l'autonomia dell'autoveicolo anche relativamente al trasporto urbano.

In questo quadro di riferimento generale, il CNR ha avviato nel 1994 il Progetto Strategico "Batterie Leggere", coinvolgendo gruppi di studiosi provenienti dalla Ricerca pubblica, accademica ed industriale, con l'obiettivo di sviluppare materiali e sistemi innovativi da destinare in una prima configurazione all'elettronica di consumo e poi, attraverso un processo di "scaling up", al settore dei trasporti. Va, inoltre, sottolineato il fatto che accumulatori di media capacità possono invece essere usati nel lievitamento del carico elettrico domestico (il surplus di energia di notte, a costo più basso, può essere immagazzinato in accumulatori ed usato di giorno). Ciò consente una verifica nel campo della funzionalità di detti sistemi, facilitando una accurata messa a punto dei processi per lo sviluppo dei prototipi ad alta capacità da indirizzare nella prospettiva del veicolo elettrico.

Nell'articolazione degli obiettivi il Progetto ha privilegiato le scelte originali ed innovative piuttosto che quelle conservative. D'altra parte il carattere di alcune attività di ricerca non è in contrasto con un quadro generale che, anche a livello internazionale, è tuttora in continua evoluzione. Per una maggiore efficacia dell'azione intrapresa, le attività di R&D si sono concentrate sui seguenti settori:

Accumulatori al Litio

Indubbiamente l'avvento della cosiddetta "tecnologia del Litio" ha giocato un ruolo primario nel produrre i recenti cambiamenti avuti nel settore e nel dettare le linee strategiche future: infatti le caratteristiche di energia e ciclabilità ne fanno il candidato migliore sia per i prodotti elettronici di largo consumo, sia per lo stesso veicolo elettrico.

Il Progetto Strategico ha voluto investire decisamente in tale direzione, puntando sulla realizzazione di prototipi, le cui prestazioni sono state ottimizzate attraverso lo sviluppo di opportuni elettrodi innovativi (sia anodici che catodici) e ricorrendo invece ad elettroliti tradizionali. In tal modo, grazie al contributo fondamentale degli Organi del CNR Centro di Studio per l'Elettrochimica e la Chimica Fisica delle Interfasi (CECFI) di Roma e l'Istituto di Chimica dei Materiali (ICMAT) del CNR di Monterotondo, sono state ottenute batterie con prestazioni e caratteristiche analoghe ai sistemi immessi sul mercato dalla SONY per i propri prodotti, e si è giunti alla realizzazione di prototipi per telefoni cellulari, che sono attualmente in sede di valutazione da parte di un'azienda italiana di accumulatori interessata alla industrializzazione dei prodotti e dei processi. Un aspetto molto importante dei risultati raggiunti riguarda, inoltre, la scelta effettuata sui processi utilizzati per la realizzazione dei prototipi stessi: pur dovendo considerare le batterie ottenute come prototipi di laboratorio, i vari processi utilizzati sono facilmente trasferibili su scala industriale, in quanto le materie prime impiegate sono facilmente reperibili sul mercato e ad un costo minore di quelle attualmente considerate, i macchinari e le strumentazioni necessari sono prodotti a livello nazionale, la produzione su scala industriale può avvenire con sistema praticamente automatico in grado di lavorare 24 ore su 24 con il controllo di una unità di personale. Considerando che nel 2000 solamente in Italia il numero dei telefoni cellulari si aggirerà presumibilmente sui 10 milioni di unità, acquisire il 20% del mercato delle batterie di ricambio ad un costo medio di 100.000 lire per batteria corrisponde ad un fatturato annuo di tutto rispetto. E ciò, accanto all'indubbio valore scientifico del know how sviluppato, rende sicuramente l'idea dell'intrinseco valore dei risultati raggiunti dal Progetto.

Sulla scorta dei risultati ottenuti e delle caratteristiche di questi sistemi nella configurazione a bassa capacità, la SINAC di Milano ha progettato vari sistemi di batterie per veicoli elettrici e per tutte le applicazioni attualmente coperte dai tradizionali accumulatori al piombo. Al di là del superamento di molti problemi di carattere ambientale, le previsioni di aumento di energia specifica e di densità di energia appaiono enormi rispetto al piombo-acido, per cui la tecnologia del Litio non solo può essere vincente per l'auto elettrica, ma potrebbe soppiantare la tecnologia piombo-acido in tutte le sue applicazioni e per la quale l'attuale fatturato della imprese nella sola Europa corrisponde a migliaia di miliardi l'anno.

Celle Zinco/Aria

Mentre le attuali soluzioni tecnologiche basate sui sistemi di accumulo a ioni di Litio sembrano pronte per una definitiva affermazione nell'Elettronica di consumo, le sue possibilità di traduzione industriale nel settore dei trasporti non sono previste nel breve termine. Per tali motivi il Progetto Strategico ha deciso di puntare sui sistemi Zinco/Aria, che si caratterizzano per un'elevata energia specifica rispetto ai sistemi tradizionali; un basso impatto ambientale, grazie all'assenza sia di sostanze tossiche nel ciclo produttivo sia di emissioni di inquinanti durante la fase di rigenerazione; ed infine per la possibilità di riciclo dei materiali impiegati.

In tale settore un contributo fondamentale è stato dato dalla EDISON TERMOELETTRICA, la quale ha mirato soprattutto ad ottimizzare il materiale catodico con particolare riferimento alla resistenza meccanica ed alla corrosione in ambiente di lavoro. I risultati ottenuti rivestono particolare importanza non solo perché alcuni sistemi sono attualmente sotto test su alcuni furgoni di medie dimensioni, ma anche perché la tecnologia attualmente in sviluppo presso la EDISON prevede un sistema integrato costituito da veicoli circolanti, stazione automatica di sostituzione degli elettrodi ed impianto per la rigenerazione dello Zinco.

Supercondensatori

L'intervento del Progetto in questo settore era motivato dal fatto che i sistemi di accumulo dedicati alla trazione elettrica sono essenzialmente finalizzati all'ottenimento di percorrenze elevate, mentre non forniscono adeguate caratteristiche di potenza in particolari situazioni quali l'avviamento in sfavorevoli condizioni meteorologiche, la necessità di fornire al veicolo un particolare spunto in accelerazione e/o nel superamento di particolari pendenze.

I Supercondensatori, abbinati attraverso una opportuna interfaccia elettronica all'accumulatore di trazione, possono soddisfare le richieste di potenza nelle varie fasi di guida. In tale ottica il Centro Ricerche FIAT di Orbassano ha esaminato le potenzialità di alcuni sistemi disponibili sul mercato, allestendo allo scopo una autovettura con supercondensatori ad elettrodi di carbone e conducendo le prove, avendo come riferimento il ciclo ECE 15 a parte urbana. I risultati ottenuti hanno evidenziato inoltre il positivo effetto sulle batterie di servizio qualora abbinate ai supercondensatori: viene richiesta una capacità ridotta della batteria di servizio con conseguente riduzione di peso (oltre il 30%) e riduzione di materiali inquinanti sia a bordo del veicolo sia allo smaltimento a fine vita dell'accumulatore stesso.

Avendo come punto di riferimento i requisiti di energia specifica fissati dal Department of Energy degli USA (DOE), il Progetto si è posto infine l'obiettivo di realizzare supercondensatori innovativi di tipo redox ad elettrodi polimerici, per i quali è stato necessario sviluppare opportuni polimeri conduttori elettronici e prototipi di laboratorio. I risultati, ottenuti con il contributo fondamentale del Dipartimento di Chimica dell'Università di Bologna, e dell'Istituto di Chimica delle Macromolecole del CNR, Milano (ICM), sono stati estremamente incoraggianti se confrontati con i requisiti a medio termine fissati dal DOE americano, e costituiscono una ottima base di partenza per uno sviluppo ingegneristico del prodotto e per la realizzazione di una configurazione allo stato solido.

In tutte le problematiche affrontate dal Progetto Strategico la ricerca scientifica è stata in grado di sviluppare una innovazione da considerarsi allo stato dell'arte a livello internazionale, ed offre pertanto al mondo imprenditoriale del nostro Paese una ulteriore occasione da non perdere per non rimanere ancora una volta esclusi da quei settori ad alto contenuto tecnologico che sono ormai base irrinunciabile per qualsiasi sviluppo economico e sociale.