Il futuro biologico delle batterie

S embra che in ogni secolo di sviluppo tecnologico umano si debba affrontare una nuova sfida relativa alla produzione dell’energia necessaria alla società; curiosamente però il meccanismo chimico alla base di questa sfida è sempre lo stesso, non da secoli bensì da miliardi di anni. Ciò che la nostra società cerca disperatamente è una fonte di energia economica e disponibile, in particolare oggi si tratta di produrre energia elettrica e del suo immagazzinamento.

Di cosa parliamo quando parliamo di energia
Da un punto di vista pratico qualsiasi sia la fonte energetica sperimentata dall’umanità o da altre forme di vita, si tratta sempre e comunque di mobilitare elettroni, cioè generare coppie redox, le odiatissime reazioni di ossidoriduzione incubo di ogni studente, ossessione di ogni studioso dell’energia.

Ciò che la nostra società cerca disperatamente è una fonte di energia economica e disponibile, un sistema di conversione e, ancora più importante, un sistema di stoccaggio efficiente. 

La rivoluzione industriale, basata sul carbone prima e sul petrolio poi (da cui la locomotiva a vapore e il motore a scoppio), traeva energia dall’ossidazione del carbonio producendo anidride carbonica. Reazioni di ossidoriduzione tanto antiche quanto l’uso del fuoco da parte dell’uomo primitivo, che hanno l’indesiderata conseguenza di produrre i gas responsabili del cambiamento climatico attuale. È simile l’energia muscolare che trae origine da processi di ossidazione di molecole organiche ottenendo come sottoprodotto lo stesso identico gas, l’anidride carbonica. Più recentemente l’energia nucleare sembrava aver gettato le basi per una svolta concettuale scovando l’energia direttamente nel nucleo degli atomi, un’energia più abbondante e sfruttabile delle tante fonti sperimentate precedentemente. L’energia nucleare sostituisce efficientemente il carbone che scaldava le caldaie delle antiche locomotive a vapore o la fiamma sotto la pentola a pressione che usiamo in casa, ma il meccanismo è lo stesso: generare vapore in pressione per poi sfruttarlo meccanicamente. Tuttavia l’energia nucleare mostra aspetti drammaticamente negativi e irrisolvibili quali la scarsa disponibilità di materie prime fissili (molto meno disponibili di carbone, petrolio o gas naturale), questioni di sicurezza ambientale, oltre al mai risolto problema dello stoccaggio di scorie e sottoprodotti radioattivi (ridotti nelle centrali di ultima generazione, ma inevitabili e ingestibili per periodi estremamente lunghi).

Oggi le fonti energetiche rinnovabili si stanno imponendo sul mercato assicurando la possibilità di convertire l’energia da fonti gratuite, ma con disponibilità limitata. L’energia solare può essere prodotta solo di giorno, il vento dipende dalle condizioni meteorologiche, il geotermico è limitato a livello geografico. Eppure le risorse rinnovabili mostrano aspetti imbattibili: sono già presenti e distribuite ovunque, riforniscono il nostro pianeta da milioni di anni, non impattano l’ambiente, non richiedono miniere o sistemi di estrazione delle materie di origine (come carbone, petrolio, uranio, ecc.). Servirebbe solo un sistema di conversione dell’energia scelta e, ancora più importante, un sistema di stoccaggio efficiente.

Le risorse rinnovabili mostrano aspetti imbattibili: sono già presenti e distribuite ovunque, riforniscono il nostro pianeta da milioni di anni, non richiedono miniere o sistemi di estrazione delle materie di origine.

Le nostre precedenti sperimentazioni per generare reazioni di ossidoriduzione partendo da carbone, petrolio o gas naturale consentivano di liberare, in ultima analisi, l’energia solare catturata da qualche essere vivente milioni di anni fa e conservata nei legami chimici delle sostanze prelevate dagli strati geologici. Ma come avevano fatto i viventi del passato a carpire quell’energia? Quali altri meccanismi chimici o biologici possono conservarla efficientemente?

Il dilemma dello stoccaggio
La vera sfida del nostro secolo è proprio questa, ed è una sfida concettuale. Smettere di generare l’energia al momento dell’uso, ma affidarsi a una produzione continua, morigerata, controllata di energia che verrà poi stoccata, accumulata e resa disponibile da una rete capillare di distribuzione continua e costante. Si tratta ovviamente dell’energia elettrica, già in uso da generazioni, ma che dovrebbe sostituire tutte le altre fonti energetiche, in particolare nel mondo dei trasporti. Una sfida non banale, che si scontra con le nostre limitate capacità di accumulo e stoccaggio, a oggi il punto critico di questa nuova visione, il cui principale oggetto di ricerca e investimento sono le batterie. A questo proposito è curioso notare che le prime ricerche sui fenomeni elettrici vennero condotte da medici e naturalisti su certi viventi (da cui l’espressione “elettricità animale”) e dopo quasi tre secoli proprio la natura potrebbe rivelarsi la strategia vincente per scovare le soluzioni ai problemi sopracitati.

La vera sfida del nostro secolo è una sfida concettuale: smettere di generare l’energia al momento dell’uso, ma affidarsi a una produzione continua, e a un’infrastruttura decentralizzata di accumulo e distribuzione.

Furono le piccanti dispute tra Luigi Galvani e Alessandro Volta a chiarire l’origine della corrente elettrica. Se il primo la considerava un fluido di origine vitale o animale (forte delle osservazioni condotte su esseri come le anguille elettriche), il secondo dimostrò come fosse possibile generare elettricità mediante l’uso di metalli diversi sapientemente accoppiati (la famosa pila di Volta). Ciò che oggi sappiamo è che entrambi i grandi scienziati stavano osservando correnti elettriche sviluppate da reazioni di ossidoriduzione. Volta aveva capito come impiegare materiali inorganici per incanalare gli elettroni che passavano da un elettrodo all’altro; Galvani invece osservava processi molto più complicati, non basati su metalli, ma complesse molecole organiche selezionate attraverso processi evolutivi da esseri che da generazioni affinavano sistemi di accumulo e stoccaggio di energia. La vita stessa si basa su sistemi di conversione energetica e, proprio come per noi umani di oggi, anche gli altri viventi hanno dovuto imparare a sfruttare fonti di energia diluita e saltuariamente disponibile per poi accumularla e sfruttarla metabolicamente.

La natura ha inventato le batterie prima di noi
I meccanismi di conversione e stoccaggio dell’energia presenti nei viventi sono moltissimi e non semplici, dalla fotosintesi clorofilliana alla respirazione cellulare. Alcuni batteri traggono energia da reazioni di ossidoriduzione del ferro, altri dello zolfo o del metano; il tutto è mediato da enzimi e proteine, elaborati sistemi di membrane, organuli, pori selettivi, gradienti chimici molto più complessi delle nostre batterie. Ciò che desta la nostra attenzione oggi è la straordinaria capacità degli organismi di immagazzinare energia, in alcuni casi con biomolecole che si stanno dimostrando estremamente utili per una possibile applicazione nel mondo delle batterie.

Attraverso miliardi di anni di selezione naturale, gli organismi viventi hanno sviluppato reazioni metaboliche altamente efficienti, impossibili da replicare oggi nei sistemi artificiali. Inoltre, gli elementi che costituiscono questi complessi biologici provengono da fonti ecologiche presenti sulla Terra, sono facilmente decomponibili e hanno un impatto minimo sull’ambiente. Tutti gli organismi viventi si basano sulla conversione, il trasporto e l’immagazzinamento dell’energia su diversi substrati molecolari. Questi processi metabolici, in cui l’energia viene trasferita attraverso il passaggio di elettroni e ioni, sono esattamente gli stessi che dobbiamo migliorare partendo dalla conversione delle energie rinnovabili, alla distribuzione e stoccaggio, fino all’utilizzo finale.

L’approccio della biomimesi, cioè la possibilità di ispirarsi a strutture biologiche per imitarne le prestazioni, potrebbe essere di grande aiuto per risolvere le principali problematiche delle batterie oggi esistenti sul mercato.

La natura può fornirci più sistemi per migliorare la tecnologia delle batterie attuali, ad esempio particolari biomateriali possono essere impiegati direttamente, mentre altre sostanze naturali possono essere trattate artificialmente per essere modificate e integrate nei dispositivi di accumulo migliorandone le prestazioni. Anche nella fase di progettazione l’approccio della biomimesi, cioè la possibilità di ispirarsi a strutture biologiche per imitarne le prestazioni, potrebbe essere di grande aiuto per risolvere le principali problematiche delle batterie oggi esistenti sul mercato.

Fare a meno del litio
Nella situazione attuale il mercato delle batterie è dominato da quelle che si basano sugli ioni litio. Le prime sono state sviluppate negli anni Settanta da Stanley Whittingham e presentavano inizialmente gravi problemi di sicurezza. Negli anni Ottanta venne introdotto l’uso del cobalto nel catodo, aumentando le prestazioni e nei primi anni Novanta la Sony le ha commercializzate imponendosi nel mercato. La domanda globale di batterie al litio ha superato i 600-700 GWh nel 2022 e potrebbe raggiungere 3 TWh o più entro il 2030; il tutto è trainato dall’impiego in veicoli elettrici e dallo stoccaggio stazionario. A oggi i materiali impiegati per le diverse componenti delle batterie al litio includono manganese, cobalto, nichel e ferro, tutti metalli strategici e problematici dal punto di vista ambientale e geopolitico. A questo elenco si aggiunge ovviamente il bramatissimo litio. Ciò ha spinto i ricercatori a studiare soluzioni alternative per alleviare la pressione sulle risorse, migliorare la sostenibilità e assicurare maggiore sovranità industriale.

Tutti i meccanismi di ossidoriduzione si basano su una coppia di componenti (anodo-catodo, ossidante-riducente) le cui reazioni permettono la movimentazione di elettroni creando così corrente elettrica. Le più promettenti e recenti alternative alle batterie al litio sono: batterie metallo-ione (sodio, magnesio, zinco, alluminio), batterie metallo-zolfo (litio-zolfo, sodio-zolfo), batterie metallo-aria (litio-aria, zinco-aria), batterie a flusso (o redox flow). Certamente nel futuro immediato le batterie al litio rimarranno centrali, ma esiste un crescente spazio di mercato per soluzioni alternative specializzate.

La domanda globale di batterie al litio ha superato i 600-700 GWh nel 2022 e potrebbe raggiungere 3 TWh o più entro il 2030.

A oggi la mobilità elettrica (autovetture elettriche e veicoli commerciali) impegna oltre il 70% della domanda, seguono lo stoccaggio stazionario generico (in rapida crescita, ma meno rilevante in volume rispetto all’automotive), l’uso in computer, cellulari ed elettronica di consumo e infine la micromobilità (bici elettriche, monopattini) con tassi di crescita sorprendenti. In definitiva circa l’80% delle nuove installazioni di batterie è correlato al trasporto elettrico, lo stesso aspetto che diede vita alla rivoluzione della locomotiva a vapore e dell’auto con motore a scoppio.

Le quattro categorie di batterie alternative si basano su elementi più disponibili o facilmente lavorabili rispetto al litio. Gli elementi impiegati nelle batterie metallo-ione, metallo-zolfo, metallo-aria e batterie a flusso sono tutti strategicamente interessanti. Infatti, il litio è presente in quantità limitate e geograficamente molto localizzate (Cile, Australia, Cina), mentre gli altri ioni elencati sono più abbondanti e con distribuzione più ampia sul globo. Tuttavia, la sola abbondanza di un elemento non garantisce la realizzabilità industriale, poiché contano anche le tecnologie di estrazione, i processi di purificazione e l’intero ciclo di produzione del dispositivo. Per alcune tecnologie, come le batterie zinco-aria, le materie prime sono largamente disponibili, ma rimangono problematiche ingegneristiche. Inoltre ogni elemento estratto prevede impatti ambientali, inquinamento e consumo di risorse.

Tutte le alternative proposte presentano pregi e difetti, non esiste quindi a oggi una tecnologia capace di imporsi sulle altre garantendo facile applicabilità a tutti i settori energivori. Ad esempio le batterie basate sul sodio, già pronte a una prima commercializzazione, presentano costi e sostenibilità migliori, ma una densità energetica inferiore e prestazioni ancora molto migliorabili. Similmente le batterie a flusso sono già commercializzate e in uso in diversi impianti di stoccaggio stazionario (in questo caso il metallo impiegato è il vanadio); le più comuni batterie a flusso offrono elevata scalabilità e lunga durata (anche oltre 10.000 cicli), ma minore densità energetica e soprattutto un maggiore ingombro e peso, aspetto determinante per quanto riguarda il trasporto.

Costruire batterie biologiche
Faremmo bene a ricordare che tutti i viventi affrontano da ere geologiche il problema della conversione energetica, e del conseguente stoccaggio, senza scavare miniere o ricorrere a elementi rari. La selezione naturale ha identificato materiali con proprietà utili e performanti e in milioni di anni di evoluzione gli organismi hanno elaborato strutture altamente efficienti per il trasferimento di energia e materia, dissipare il calore, contenere il peso e rappresentano quindi un modello estremamente interessante.

Tutti i viventi affrontano da ere geologiche il problema della conversione energetica, e della conseguente conservazione e stoccaggio, senza scavare miniere o ricorrere a elementi rari.

I materiali di origine biologica possono essere impiegati direttamente oppure sottoposti a trattamenti che ne esaltano le proprietà, trasformandoli in nanostrutture utili per la costruzione di elettrodi e altri componenti. In altri casi si tratta di imitare i principi che regolano i processi biologici, riproducendoli artificialmente per migliorarne le prestazioni tecnologiche.

I biomateriali più promettenti si dividono in tre famiglie. La lignina, presente nel legno, è interessante per le sue proprietà redox, e può essere impiegata come additivo per elettrodi, come legante o per ottenere carboni a porosità controllata. La polidopamina, nota per le capacità adesiva dei molluschi, è stata utilizzata per rivestire gli elettrodi, migliorandone la stabilità. Le flavine e i chinoni sono composti biologici coinvolti nel metabolismo energetico in reazioni simili a ciò che avviene nei cicli di carica/scarica delle batterie.

Molte tecniche si basano sulla trasformazione dei materiali naturali. Ad esempio le biomasse fungono da ottimi stampi per la formazione di materiali nanostrutturati in seguito a processi termici. Oppure è il caso di particolari ioni metallici che tendono ad autoassemblarsi sulla superficie delle proteine o di certi batteri (ad esempio Streptomyces) favorendo la crescita di complesse strutture minerali. stratificate, simili a guaine. Sono esempi in cui i sistemi biologici producono materiali funzionali, spesso impossibili da ottenere artificialmente.

La natura fornisce anche ispirazione nella progettazione dei dispositivi. Molti organismi viventi hanno sviluppato soluzioni ingegneristiche straordinarie, come pori e membrane, in grado di trasportare selettivamente ioni e molecole, suggerendo nuove vie per l’ottimizzazione nei dispositivi elettrochimici. L’osservazione del mondo biologico può inoltre offrire soluzioni concrete nel campo della gestione del calore. Nei sistemi elettrochimici, infatti, l’aumento della temperatura compromette l’efficienza delle reazioni. Eppure alcuni organismi (come il verme marino Alvinella pompejana), riescono a vivere in ambienti a temperature estreme senza alterare il proprio metabolismo. Comprendere i meccanismi di adattamento di questi organismi può aiutare a sviluppare batterie capaci di operare in un ampio intervallo termico. Similmente, ispirandosi alla struttura alveolare delle ali delle libellule, sono state proposte strutture biomimetiche per ottimizzare resistenza, peso e flessibilità.

La necessità di un approccio interdisciplinare
Sembra quindi che per una svolta tecnologica sia necessario tornare alle origini: non alle anguille elettriche di Galvani o alla pila di Volta, ma alle basi biochimiche selezionate dai sistemi naturali nel corso dell’evoluzione. Materiali e strategie di conversione e stoccaggio energetico presenti nella meccanica stessa della vita.

La biomimetica offre infatti un grande potenziale per la progettazione di dispositivi avanzati per accumulo di energia elettrochimica e la produzione di materiali correlati (composizione, proprietà meccaniche e funzionalità). Ciò include l’utilizzo diretto di composti da biomasse, l’impiego di strutture organiche come stampi molecolari, la preparazione di materiali con strutture macro-microscopiche e l’imitazione dei meccanismi e strategie biologiche.

Sembra quindi che per una svolta tecnologica sia necessario tornare alle origini: non alle anguille elettriche di Galvani o alla pila di Volta, ma alle basi biochimiche selezionate dai sistemi naturali nel corso dell’evoluzione.

È l’unica prospettiva vincente per svincolarci da metalli rari, strategici, inquinanti; questo perché tutti i materiali biologici garantiscono rinnovabilità, adattabilità, sostenibilità ed ecocompatibilità, aspetti particolarmente significativi per un impiego a lungo temine. È il tipo di sviluppo di cui abbiamo disperatamente bisogno e che implica una fondamentale collaborazione interdisciplinare (chimica, zoologia, botanica, micologia, fisica, ingegneria energetica) per accelerare la transizione dalle idee di laboratorio all’industria, ispirandosi in modo concreto e produttivo alla grande saggezza conservata negli organismi viventi, acquisita con milioni di anni di evoluzione e ora alla nostra portata.

Il futuro dell’innovazione nel campo energetico, oggi così urgente e necessaria per l’essere umano, sembra risiedere nei meccanismi stessi della vita, il cuore pulsante della natura che ci circonda.

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