Una batteria non funziona mai meglio della prima volta che la si carica. È nella loro natura: Immagazzinano energia per noi, ma lo fanno in modo meno efficiente ogni volta che le ricarichiamo.
Non che non ci siano cose che possiamo fare per mantenere meglio la carica delle batterie, come esperti come Venkat Srinivasan sono felici di consigliare. “Non usare il tuo computer portatile come un desktop”, dice. “Quando è completamente carico, stacca la spina. La batteria è già carica, e noi continuiamo a insistere nel caricarla sempre di più.”
Mentre lo diceva, non ho potuto fare a meno di guardare nervosamente il portatile sul quale stavo trascrivendo furiosamente le sue parole. Naturalmente era collegato. Ovviamente era così almeno da ieri, e ovviamente quello che una volta aveva almeno un paio d’ore di autonomia era ora probabilmente al massimo una mezz’ora senza spina. Speriamo che Srinivasan non si sia accorto della mia cattiva gestione della batteria solo parlando con me.
Srinivasan è uno dei principali ricercatori che esplorano la scienza delle batterie all’Argonne National Laboratory, situato a mezz’ora a sud-ovest di Chicago. Conosce tutti i trucchi per evitare che la batteria di un telefono o di un portatile perda la sua capacità di mantenere la carica. Il segreto principale, dice, è quello di non caricare mai il dispositivo fino in fondo.
“La cosa migliore che si può fare è andare fino al 70 per cento o 80 per cento di carica, non andare oltre, e rimanere in quella gamma”, dice. La ragione di questo consiglio risiede nella struttura chimica della batteria agli ioni di litio che alimenta la maggior parte dell’elettronica di consumo e, sempre più, i veicoli elettrici. Gli atti di caricare e scaricare una batteria possono far espandere e contrarre i suoi materiali, mettendo l’intera batteria sotto stress e accorciando la sua durata di vita.
Se si lascia una batteria del telefono fino a quando non si spegne e poi la si ricarica fino al 100 per cento, potrebbe avere solo poche centinaia di cicli prima che smetta di funzionare. Qualcuno assurdamente impegnato a mantenere le oscillazioni di una batteria minuscola – diciamo tra il 75 e il 78 per cento – potrebbe strappare fino a 300.000 cicli, secondo i calcoli di Srinivasan.
Srinivasan ammette che questo tipo di gestione precisa della batteria è quasi certamente più difficile di quanto valga per la maggior parte delle persone, quindi raccomanda un approccio più semplice per mantenere la carica delle batterie.
Al di là dei problemi strutturali, perché è così dannoso per una batteria tenerla completamente carica, o anche solo caricarla fino in fondo? Fin dalla loro prima carica, le batterie combattono una battaglia persa con la loro stessa chimica.
Le batterie ricaricabili come quelle di un telefono o di un portatile generano corrente elettrica dal movimento tra gli elettrodi di particelle cariche, o ioni, dell’elemento litio – ecco perché le chiamiamo batterie agli ioni di litio.
Quando una batteria si sta scaricando, le particelle si spostano dall’elettrodo negativo a quello positivo, noto anche come anodo e catodo, rispettivamente. Il processo si inverte durante la carica. Nelle batterie agli ioni di litio, l’anodo è generalmente fatto da un composto di carbonio elettricamente conduttivo come la grafite, mentre il catodo è fatto da un composto a base di litio che può assorbire e rilasciare gli ioni di litio.
Ecco dove inizia il problema se, per esempio, un telefono viene lasciato collegato tutta la notte. Gli ioni reagiscono con il catodo in un processo chimico chiamato ossidazione, che consuma parte del litio della batteria. Più a lungo si verificano queste reazioni, più particelle necessarie per sostenere la corrente della batteria vengono perse. Non ci vuole più molto tempo per scaricare le particelle, il che significa che la batteria si svuota molto più rapidamente di prima. Il problema può peggiorare se la batteria viene caricata ad un ritmo troppo veloce, il che riduce anche la sua capacità.
Le batterie affrontano pericoli che vanno oltre il sovraccarico, poiché l’ambiente chimico si degrada inesorabilmente anche se si è sempre perfettamente attenti a quando staccare la spina del telefono.
“Con gli ioni di litio, alcuni di loro si perdono”, ha spiegato lo scienziato dei materiali Michael Toney, un ricercatore del SLAC National Accelerator Laboratory, vicino alla Stanford University. “Si bloccano in posti dove non sono più in grado di fare la spola tra l’anodo e il catodo. Parti dell’anodo o del catodo si disconnettono elettronicamente dal collettore di corrente. Questa è la parte della batteria che raccoglie gli elettroni che vanno avanti e indietro quando si carica e si scarica la batteria.”
Gli ioni di litio viaggiano tra gli elettrodi attraverso sostanze chimiche liquide chiamate elettroliti. Questi elettroliti sono essenziali per l’intero funzionamento, ma subiscono anche reazioni con l’anodo che accorciano la durata della vita della batteria.
“La natura, purtroppo, vuole che questa reazione si verifichi, quindi si verificherà”, ha detto Srinivasan. Tutto ciò che i progettisti di batterie possono fare è cercare di mantenere questa reazione al minimo. “Ma non è perfetto. La cosa si ritorce contro.”
Ancora, per quanto pignole possano essere le batterie agli ioni di litio, la maggior parte delle persone probabilmente non noterà troppo il problema, semplicemente perché non tiene il telefono o il portatile abbastanza a lungo perché la situazione di ricarica diventi veramente terribile. Ci potrebbe essere una rassegnazione quasi inconscia che, sì, è il momento di arrendersi e usare il portatile come un desktop permanentemente collegato, o una vaga sensazione che il vostro telefono non sembra avere quasi la durata della batteria che è stata pubblicizzata. Ma a meno che non abbiate intenzione di tenere la vostra elettronica molto più di tre anni, non sarà un grosso problema.
Ma che dire delle auto elettriche, che funzionano con versioni molto più grandi di simili batterie agli ioni di litio? La maggior parte delle persone che sborsano più di 70.000 dollari per un’auto Tesla vogliono che la batteria mantenga la carica per diversi anni, forse anche un decennio o più. Se non altro, i veicoli elettrici presentano problemi unici nella gestione della carica che l’elettronica domestica non presenta.
“In genere, se si calpesta l’acceleratore, si vuole che la macchina risponda in modo appropriato”, ha detto Toney. “Quindi questo può spingere la batteria molto forte per un breve periodo di tempo. Questo non è tipicamente il tipo di scariche che si vedono in un computer portatile o un telefono cellulare.”
Al di là dell’uso regolare, tutte le batterie sono sensibili alle fluttuazioni di temperatura, con alcune batterie di telefoni o computer portatili programmati per spegnersi automaticamente se diventano troppo caldi. Una batteria Tesla, circa l’equivalente di 8.000 batterie di telefoni cellulari, può diventare molto più calda durante l’uso. Ed è possibile che la stazione di ricarica si trovi in un luogo fresco, creando un’oscillazione di temperatura potenzialmente pericolosa.
C’è anche la questione di quanto velocemente un veicolo elettrico ha bisogno di caricarsi. Per ora, molti conducenti di auto elettriche si accontentano di caricare il loro veicolo durante la notte, il che significa che la batteria dell’auto può riacquistare una carica ad un ritmo sicuro e lento. Ma qualsiasi futura infrastruttura per le auto elettriche avrà bisogno dell’equivalente delle stazioni di servizio, luoghi dove i conducenti possono fare rifornimento durante i lunghi viaggi.
“Idealmente vorremmo che i veicoli elettrici si ricaricassero in circa 15 minuti, che è il punto in cui si immagina qualcuno che entra in una stazione di ricarica, va in bagno, prende da bere, ed è carico pronto a partire”, ha detto Toney. “Questo usa molta energia, e le batterie non sono ancora in grado di gestirla. Non si caricano a piena capacità. Se provi a ricaricare la tua batteria a quel tipo di velocità, si guasterà velocemente.”
La batteria agli ioni di litio è un’invenzione notevole, che contribuisce ad alimentare le rivoluzioni tecnologiche nel modo in cui usiamo i computer, i telefoni e, infine, le automobili. Ma la stessa chimica interna che le rende così ideali per alimentare i nostri indispensabili dispositivi significa anche che il loro tempo è intrinsecamente limitato.
Rendere le batterie in grado di mantenere la carica più a lungo è uno dei molti problemi fondamentali che gli scienziati delle batterie stanno cercando di affrontare, sia che ciò significhi migliorare la configurazione che già esiste o creare qualcosa di nuovo e migliore.
Mentre aspettiamo, considerate di seguire il consiglio di Srinivasan: “Almeno non lasciate il vostro computer portatile collegato!”. Almeno per quelli di noi che non hanno già rovinato completamente la durata della batteria del loro computer.