Lignina come elettrodo: l’Università di Pisa trasforma gli scarti della carta in micro-accumulatori

Un gruppo di ricerca che coinvolge l’Università di Pisa, il Cnr e l’Università di Salerno ha dimostrato che la lignina – sottoprodotto ubiquo dell’industria cartaria – può funzionare come materiale attivo in microsupercondensatori ad alta velocità. I risultati, pubblicati sul Journal of Materials Chemistry A, aprono una strada concreta verso componenti energetici sostenibili per elettronica miniaturizzata

La lignina è uno dei polimeri naturali più abbondanti sul Pianeta: costituisce circa il 25% della biomassa legnosa e rappresenta il principale scarto dei processi industriali di produzione di cellulosa e carta.

A livello globale, si stima che l’industria cartaria generi oltre 50 milioni di tonnellate di lignina tecnica all’anno, di cui solo una quota marginale viene valorizzata come combustibile o addittivo, mentre la maggior parte finisce bruciata o smaltita.

Il nodo tecnico è strutturale. La lignina è un polimero complesso, dalla struttura irregolare e difficile da controllare, che varia sensibilmente a seconda della specie legnosa e del metodo di estrazione.

Questo ha a lungo frenato il suo utilizzo in applicazioni di precisione. Eppure, la sua ricchezza di gruppi funzionali ossidabili e riducibili la rende, in linea teorica, un candidato interessante per applicazioni elettrochimiche.

Microsupercondensatori: velocità dove le batterie non arrivano

I microsupercondensatori sono dispositivi di accumulo energetico in miniatura che si distinguono dalle batterie convenzionali per la capacità di caricarsi e scaricarsi in tempi estremamente brevi – nell’ordine dei millisecondi – e per la loro resistenza a migliaia di cicli senza degrado significativo.

Trovano applicazione in sensori ambientali, dispositivi biomedicali impiantabili e tecnologie indossabili, dove la densità di potenza conta più della capacità energetica totale.

La sfida è produrli con materiali abbondanti, economici e compatibili con i processi di fabbricazione dei microcircuiti. È qui che la lignina entra in gioco.

Il contributo dell’Università di Pisa: struttura molecolare e prestazioni elettriche

Il gruppo dell’Università di Pisa si è concentrato sulla caratterizzazione chimica di tre diverse lignine, ottenute con metodi di estrazione distinti – tra cui la lignina kraft, prodotto principale della produzione cartaria, e varianti estratte con solventi organosolv.

L’obiettivo era stabilire come l’architettura molecolare di ciascun campione influenzasse il comportamento elettrochimico nei dispositivi.

Le lignine sono state integrate come strato attivo in microcircuiti planari e sottoposte a test di accumulo e rilascio di carica. I risultati mostrano che la struttura del polimero – in particolare la densità e l’accessibilità dei gruppi fenolici – incide direttamente sulla capacità specifica e sulla velocità di risposta del dispositivo.

Non tutte le lignine si comportano allo stesso modo: la correlazione struttura-prestazione è il dato scientifico centrale dello studio.

Alessandra Operamolla, professoressa del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa, ha sottolineato come solo comprendendo questa relazione sia possibile trasformare un risultato di laboratorio in una tecnologia scalabile. Senza quel passaggio analitico, la variabilità naturale della lignina rimarrebbe un ostacolo piuttosto che una variabile controllabile.

Per questo abbiamo voluto approfondire con lei il tema, ponendole precise domande. Alle risposte ha contribuito anche Marianna Ambrico del Cnr di Bari che ha collaborato al progetto.

In che misura le prestazioni dei microsupercondensatori basati su lignina risultano competitive rispetto ai materiali convenzionali oggi utilizzati nell’elettronica, in termini di efficienza energetica, stabilità e durata nel tempo?

Le prestazioni dei microsupercondensatori a base di lignina risultano già competitive rispetto a materiali convenzionali come carboni fossili, grafene e ossidi metallici.

Un primo elemento distintivo è la sostenibilità: la lignina è un sottoprodotto abbondante dell’industria della cellulosa, con un impatto ambientale molto inferiore rispetto ai materiali sintetici tradizionali.

Dal punto di vista tecnologico, i nostri test mostrano che la stabilità ciclica e la durata nel tempo dei dispositivi sono comparabili a quelle degli altri materiali. Anche la fase di miniaturizzazione non risulta critica, come confermato dai risultati pubblicati, che usano dei microcircuiti.

Infine, grazie all’ampia disponibilità della biomassa, la lignina offre anche un vantaggio economico: i costi risultano potenzialmente inferiori rispetto ai materiali derivati da sintesi complesse o fonti fossili.

Quali sono le principali criticità tecnologiche e industriali ancora da superare per rendere scalabile l’impiego della lignina nei dispositivi elettronici, considerando i processi di estrazione, purificazione e integrazione nei microcircuiti?

La principale criticità riguarda la variabilità chimica della lignina, che dipende non solo dalla pianta di origine, ma anche dal processo con cui viene estratta. Per l’elettronica è essenziale disporre di materiali riproducibili, quindi servono metodi di purificazione e standardizzazione più consolidati.

Un secondo aspetto è l’integrazione nei microcircuiti: servono processi di deposizione controllata e compatibili con le tecnologie microfabbricative. Nel nostro studio abbiamo dimostrato che questo è tecnicamente possibile, ma richiede ottimizzazioni per un uso su larga scala.

In sintesi, la sfida riguarda la definizione di una filiera con proprietà costanti e processi facilmente industrializzabili.

Quali sono i tempi di arrivo sul mercato di una potenziale soluzione?

La tecnologia è attualmente in fase pre‑competitiva: i dispositivi funzionano in laboratorio e mostrano prestazioni promettenti, ma servono ulteriori passi per rendere la produzione scalabile e standardizzata.

In uno scenario realistico, applicazioni pilota potrebbero emergere nell’arco di alcuni anni, soprattutto in settori che richiedono miniaturizzazione e sostenibilità, come sensori ambientali, dispositivi biomedicali o tecnologie indossabili.

Il percorso dipenderà anche dal coinvolgimento industriale e dall’ottimizzazione dei processi produttivi. Questa proiezione è realistica, in quanto in parallelo sono aperte call della Commissione europea finalizzate allo sviluppo di batterie e sistemi per lo storage di carica sostenibili.

Quindi la comunità scientifica è chiamata a rispondere a problemi globali che riguardano la sostenibilità e la sicurezza delle batterie.

I costi sarebbero competitivi?

Sì. La lignina è una risorsa economica, abbondante e già disponibile come scarto dell’industria della carta e questo permette di ridurre significativamente i costi rispetto ai materiali tradizionali ad alta energia di produzione.

Va però sottolineato un punto importante: una sfida aperta riguarda la sostenibilità dei processi di estrazione della cellulosa, da cui la lignina deriva. Alcuni metodi industriali sono ancora energivori o richiedono reagenti poco green.

Nel nostro lavoro riportiamo un esempio incoraggiante: una lignina estratta dal cardo mariano, ottenuta con un processo più pulito e conforme ai principi della chimica verde.

Questa lignina non solo proviene da una filiera più sostenibile, ma ha anche mostrato prestazioni elettriche molto interessanti, dimostrando che competitività economica e sostenibilità possono procedere insieme.

Collaborazione istituzionale e prospettive di scala

Lo studio è frutto di una rete di ricerca che oltre all’Università di Pisa ha coinvolto il Cnr di Bari e Salerno, l’Università di Salerno e l’Università di Vigo (Spagna).

La collaborazione riflette la natura multidisciplinare del problema: la chimica dei polimeri, l’ingegneria dei dispositivi e la scienza dei materiali devono convergere per rendere la lignina tecnologicamente affidabile.

Il passaggio successivo riguarda la riproducibilità su lotti industriali e la compatibilità con i processi di deposizione thin-film già in uso nella microelettronica. La lignina tecnica è disponibile in grandi volumi e a costo contenuto; il valore aggiunto sta tutto nella capacità di selezionare e processare le frazioni con le proprietà elettrochimiche più adatte.

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