Batterie al grafene, una rivoluzione annunciata?

Le auto elettriche del futuro monteranno batterie al grafene?

Le batterie al grafene – Con l’aumento della quota di mercato delle auto elettriche, si stanno studiando e sviluppando nuove tecnologie per le batterie al fine di migliorarne l’autonomia e l’efficienza. A tal proposito la batteria al grafene sembra essere una delle tecnologie più promettenti.

Uno dei principali problemi dei veicoli elettrici è che le batterie utilizzate sono grandi e pesanti. Inoltre richiedono molto tempo per immagazzinare energia, energia che poi esauriscono abbastanza rapidamente.

Per risolvere questo problema, molti stanno cercando appunto nelle batterie al grafene la chiave per la soluzione. Proprio l’anno scorso uno studente d’ingegneria presso l’Università del Sussex (Brighton, Inghilterra) ha progettato una nuova batteria basata sul grafene che ha il potenziale per rivoluzionare il mondo dei veicoli elettrici. Le batterie al grafene possono migliorare l’attuale tecnologia delle batterie in vari modi, in primis incrementando la vita utile e le prestazioni degli accumulatori.

Cos’è il grafene?

Le batterie al grafene possono offrire prestazioni migliori rispetto alle batterie tradizionali grazie alla particolare struttura del grafene. Il grafene è composto da atomi di carbonio strettamente legati tra loro in una struttura a nido d’ape. Inoltre è così sottile da essere praticamente bidimensionale.

Il grafene è un eccellente conduttore di energia termica ed elettrica. Il grafene è chimicamente inerte, ha una grande superficie, rimane flessibile ed è molto leggero. Per di più il grafene è considerato sostenibile e rispettoso dell’ambiente, e quindi può essere impiegato in numerosi ambiti.

Gli elettroni hanno tipicamente una piccolissima massa associata ad essi ogni volta che si muovono attraverso una struttura solida, che limita il loro movimento. Questo è dovuto alle interazioni con tutte le altre particelle che li circondano. Dal momento che un foglio di grafene è bidimensionale non ci sono interazioni con altre particelle e pertanto gli elettroni agiscono come se non avessero massa. Gli elettroni possono muoversi molto rapidamente nello spazio, quasi alla velocità della luce.

Questo comportamento unico è ciò che rende il grafene così incredibilmente conduttivo: il grafene è in grado di condurre l’elettricità quasi il 35% meglio del rame.

Il trasporto degli elettroni attraverso il grafene è anche 1.000 volte migliore di quello che avviene nel silicio, il che contribuisce a spiegare perché i computer basati su transistor al grafene hanno il potenziale per essere migliaia di volte più veloci degli attuali elaboratori basati sul silicio.

L’applicazione del grafene nelle batterie

Le prestazioni delle batterie tradizionali possono essere notevolmente migliorate se abbinate al grafene. Le batterie al grafene sono particolarmente adatte per tempi di carica più brevi e per lo stoccaggio di energia ad alta capacità. La quantità di carbonio usata nel materiale di una batteria e negli elettrodi ha un impatto negativo sulla durata della batteria, ma il grafene può migliorare la conducibilità senza richiedere la stessa quantità di carbonio utilizzata nelle batterie normali.

Il grafene può migliorare vari aspetti delle batterie come la densità di energia e la struttura. Le batterie agli ioni di litio tradizionali possono essere migliorate mediante l’uso combinato del grafene. All’anodo della batteria può essere aggiunto del grafene, che può ottimizzare le prestazioni della batteria sfruttando la conduttività del materiale.

I materiali ibridi possono apportare miglioramenti alle batterie. L’ossido di vanadio e il grafene possono essere combinati insieme per garantire cariche più rapide agli ioni di litio. I materiali ibridi possono anche migliorare la durata e la conducibilità dei cicli di carica/scarica. L’ossido di vanadio ha una scarsa conducibilità elettrica, ma utilizzando il grafene come “spina dorsale” crea un ibrido che consente sia una capacità superiore che una conducibilità superiore.

Anche le batterie ricaricabili agli ioni di litio possono essere migliorate con il grafene. Le batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) hanno una densità di potenza complessiva più elevata rispetto alle altre batterie agli ioni di litio, ma hanno anche una densità di energia inferiore. Il grafene può essere utilizzato per migliorare i catodi LFP permettendo alle batterie di essere molto più leggere, avere una maggiore capacità di stoccaggio e caricare molto più velocemente rispetto alle normali batterie LFP.

L’uso combinato di batterie al grafene e supercondensatori potrebbe migliorare in maniera molto decisa l’efficienza e l’autonomia di guida delle auto elettriche; per questo motivo diversi costruttori di EV stanno investendo nello sviluppo delle batterie al grafene da destinare alle loro vetture.

Batterie al grafene per i veicoli elettrici

Recenti progressi nelle batterie al grafene hanno portato alla creazione di una nuova batteria in grado di avere prestazioni superiori a qualsiasi altra batteria agli ioni di litio attualmente in uso. Graphenano, un’azienda di batterie spagnola, ha svelato l’anno scorso una batteria ai polimeri di grafene che potrebbe permettere ai veicoli elettrici di guidare fino a 800 km con una singola ricarica. E teoricamente la batteria potrebbe essere anche ricaricata in pochi minuti: grazie alla struttura al grafene, la batteria è in grado di ricaricarsi 33 volte più velocemente di una normale batteria agli ioni di litio.

La Fisker Corporation, gestita da Henrik Fisker, forse la principale rivale di Tesla Motors, inizialmente stava progettando di utilizzare le batterie al grafene nella sua nuova auto elettrica, la Fisker EMotion. Tuttavia, il piano è stato successivamente abbandonato a favore delle batterie agli ioni di litio. Nonostante la decisione di non utilizzare per il momento le batterie al grafene, Fisker ha affermato che la ricerca dell’azienda sulle celle di grafene allo stato solido sta andando avanti.

Fisker dunque potrebbe essere la prima azienda ad utilizzare batterie al grafene sui suoi veicoli elettrici. Detto questo, è altamente improbabile che Tesla resti alla finestra. Ovviamente se le batterie al grafene dovessero diventare una tecnologia rivoluzionaria presto anche Tesla le prenderà in considerazione.

Nel frattempo proseguono pure le ricerche sui supercondensatori, che utilizzano anch’essi il grafene e che potrebbero rendere obsolete le batterie tradizionali nel prossimo futuro. Il supercondensatore è composto da tre strati: due strati di grafene più uno strato intermedio di elettroliti. Il film dei supercondensatori è molto sottile, ma anche molto forte e stabile, e può rilasciare una quantità impressionante di energia in un arco di tempo brevissimo, cosa molto importante per i veicoli elettrici che hanno bisogno di energia supplementare per le loro rapide “sfuriate” in accelerazione.

Una recente analisi di mercato condotta dalla Global Market Insights suggerisce che il mercato delle batterie al grafene si espanderà a circa 97 milioni di dollari entro il 2023. Poiché la tecnologia delle batterie al grafene diventa sempre più economica ed efficiente, non sarebbe affatto sorprendente ritrovarla a breve sui veicoli elettrici di produzione.

Fonte: Science Trends