Batterie al grafene | Futuro o illusione?

Grafene: tra mito e realtà

Il grafene: che cos’è

Dalla grafite al grafene, la scoperta 

Una matita è un oggetto molto comune.

Generalmente è di legno costituita al suo interno da una cosiddetta mina, che non è altro che un piccolo cilindro costituito di un materiale particolare denominato grafite.

Tu dirai: “che cosa c’entra la matita con le batterie al grafene”?

Lo scopriremo in questo articolo in cui parleremo di grafene, questo materiale di cui si parla ormai da alcuni anni come di un materiale innovativo rivoluzionario ed in particolare come se fosse il materiale delle batterie del futuro. 

Sarà effettivamente così?

Grafite e diamante sono di fatto minerali denominati polimorfi (o allotropi) dove la composizione è uguale, ma quello che cambia è la struttura reticolare degli atomi, la loro posizione nello spazio, il modo in cui sono legati tra loro. Entrambi i materiali sono costituiti esclusivamente da carbonio. 

Non da carbone! Da carbonio che è un elemento chimico, uno di quelli che compare nella famosa tavola degli elementi. 

Nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti su piani paralleli, come fossero degli strati, tra loro blandamente legati,

mentre nel diamante hanno una struttura reticolare di tipo tridimensionale dove quindi non sono presenti piani paralleli. 

Come fa a scrivere una matita?

Come mai è cancellabile?

E’ esattamente grazie alla composizione della mina.

La grafite quando noi scriviamo si sfalda in piccoli strati, piccoli frammenti di lamine che vanno in qualche modo ad aderire alla carta. 

È proprio questo è il punto importante: questa caratteristica della grafite.

Proprio perché le tracce lasciate sulla carta sono costituite da materiale solido, possono essere rimosse mediante una gomma, la gomma per cancellare

Il diamante, come noto, non ha queste caratteristiche. 

Tu dirai: ne ha delle altre, comunque decisamente interessanti…

Il grafene

Ma veniamo al grafene.

Abbiamo detto che diamante e grafite sono minerali allotropici (cioè forme diverse della stessa sostanza e hanno cioè la medesima composizione).

Ebbene, anche il grafene ha la medesima composizione del diamante e della grafite.

Il grafene viene scoperto nel 2004 da parte di due scienziati russi emigrati a Manchester, Andrej Konstantinovič Gejm e il suo studente Konstantin Sergeevič Novosëlov che lavorano sulla grafite cercando di realizzare strati sempre più sottili.

Riuscirono a realizzare il primo foglietto di grafene da poter studiare, costituito da uno strato di soli 10 atomi (in altezza) di carbonio.

Non fu una scoperta banale, valse infatti loro il premio Nobel per la fisica nel 2010.

Che cos’è il grafene?

Nel diamante gli atomi di carbonio sono disposti alla medesima distanza uno dall’altro in una configurazione tridimensionale in cui non sono individuabili dei piani e vanno a formare delle figure denominate tetraedri cioè figure tridimensionali costituite da quattro elementi e replicati n volte.

Nella grafite invece abbiamo detto che i piani sono presenti e sono piani costituiti da esagoni ai cui vertici sono presenti gli atomi di carbonio. Questi piani sono tra loro legati ma solo blandamente, cioè in modo molto debole, e questo è il motivo per cui la grafite può essere facilmente sfaldata e ha una durezza in scala Mohs molto ridotta. 

Il grafene è sostanzialmente costituito da fogli di atomi di carbonio disposti a formare un reticolo esagonale. Ogni singolo foglio può essere spesso quanto un solo atomo. 

Si parla anche infatti di materiali bidimensionali cioè di due dimensioni in cui la terza è sostanzialmente trascurabile.

Ma che cos’ha di particolare il grafene? 

La particolarità di questo materiale è legata alle sue proprietà molto diverse da quelle della grafite pur essendo un parente molto stretto.

Il grafene ha prima di tutto una resistenza meccanica paragonabile a quella del diamante.

Tuttavia ha una flessibilità confrontabile con quella della plastica.

Secondo i suoi scopritori un foglio di 1 mq pesa 0,7 mg ed è in grado di sostenere un gatto di 4 kg.

È così sottile da apparire sostanzialmente trasparente

È un ottimo conduttore di calore. 

Grazie alla sua struttura è praticamente impermeabile alle molecole e a tutti i gas. 

Come la grafite e il diamante, è assolutamente stabile dal punto di vista chimico e non si altera all’aria e alla luce. 

Dal punto di vista elettrico si comporta come un semiconduttore un po’ come il silicio e il germanio, quindi si posiziona in modo intermedio tra un conduttore e un isolante con una resistività variabile in base alla temperatura. 

Che cosa si può fare quindi con il grafene?

Non lo so! È come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo fa e chiedergli cosa ci si può fare. Un po’ di tutto, penso” [Andrej Gejm]

Le eccezionali caratteristiche di questo materiale lo rendono davvero interessante per svariate tipologie di applicazioni.

Non è quindi un caso che siano centinaia, in tutto il mondo, i gruppi di ricerca che stanno lavorando per portare questo materiale dal laboratorio alle applicazioni tecnologiche quindi all’industria.

Per avere una idea dei gruppi di ricerca che stanno lavorando in questo senso possiamo dare un’occhiata a questa pagina del CNR, un portale denominato Graphene Factory che ha l’obiettivo di fotografare, promuovere e supportare la ricerca sul grafene, che si inserisce in un progetto dell’Unione Europea enominato Flagship Graphene, che prevede l’investimento di 1 miliardo di euro in 10 anni (2013-2023) per portare il grafene dai laboratori accademici al mercato.

Salute e Ambiente, Tecnologie Biomediche, Sensori, Dispositivi Elettronici, chimica (Schiume e Rivestimenti Funzionali, Compositi Polimerici), Generazione di Energia, ecc. sono alcune delle applicazioni esaminate. Tra queste: Immagazzinamento di Energia.

Veniamo al dunque.

Batterie al grafene: futuro o illusione?

Come abbiamo visto il grafene è certamente un materiale molto promettente. 

Ma nello specifico rispetto alla possibilità di accumulo di energia è vero che offre delle importanti e interessanti opportunità?

Esistono in commercio o in fase di studio applicazioni interessanti?

Qualcosa si muove.

Però anche in questo caso è opportuno fare dei distinguo, Tra quelle che sono o sono state delle ipotesi che però non hanno portato a reali e concrete applicazioni e quelle che invece lo sono diventate.

I supercondensatori

Una società che ha lavorato in modo importante nello sviluppo di sistemi di accumulo di energia al grafene è Skeleton Technologies, una azienda nata nel 2009 con sedi in Estonia e Germania.

Il prodotto di Skeleton Technologies non è tuttavia delle vere e proprie batterie in senso stretto bensì dei supercondensatori.

In elettronica il condensatore è un componente elettrico costituito da due corpi conduttori denominati “armature”, tra loro separati da un materiale isolante che ha la capacità di immagazzinare l’energia elettrostatica associata a un campo elettrostatico.

Quindi è comunque un dispositivo che accumula elettricità ma non è una batteria. 

Qual’è la differenza tra condensatore e batteria?

La prima differenza è il modo in cui è accumulata l’energia: nel condensatore in modo elettrostatico, nella batteria in modo elettrochimico. La seconda è la sua funzione: il condensatore si carica in un circuito elettrico in cui è presente tensione e accumula energia che è in grado altrettanto rapidamente di cedere scaricandosi.

La batteria invece è lei a fornire tensione al circuito elettrico. Abbiamo già parlato di pile e celle elettrochimiche in un articolo dedicato alle batterie al sale che trovi a questo link.

Il condensatore sostanzialmente è un po’ come il serbatoio di acqua, l’autoclave che riceve acqua da una pompa e la rilascia quando ne abbiamo bisogno. La batteria è come il lago di montagna che alimenta la centrale elettrica per produrre energia.

Un supercondensatore è un condensatore in grado di accumulare una quantità di energia molto più elevata. 

Nel supercondensatore i due corpi conduttori sono sostanzialmente costituiti da rotoli dei due materiali con interposto un ulteriore rotolo di un apposito materiale isolante, mantenuti a distanze piccolissime uno dall’altro, che se nel caso dei condensatori normali sono dell’Ordine dei 10 100 Micron nel caso dei supercondensatori arrivano all’ordine di grandezza dei nanometri, che significa milionesimi di millimetro. 

Questo permette di aumentare moltissimo la superficie dei due corpi conduttori e quindi la capacità.

È proprio qui che entra in gioco il grafene grazie alle sue caratteristiche, al suo spessore e al suo comportamento elettrico.

I supercondensatori sviluppati da Skeleton Technologies sono in grado di accumulare una grande quantità di energia rispetto ai normali condensatori. 

La struttura bidimensionale del grafene migliora la carica e la scarica.

Lo sviluppo di questo materiale denominato curved graphene (scviluppato in collaborazione con l’università di Tartu in Estonia) cioè grafene ricurvo, ha consentito un miglioramento della densità di energia. 

Come si legge sul sito di Skeleton, questi supercondensatori sono costituiti da nanofibre da 10 a 100 volte più sottili di un capello e all’interno delle fibre è possibile trovare il materiale in grafene curvo che immagazzina l’elettricità il tutto tenuto assieme da un legante polimerico. 

La densità di energia è il rapporto tra la quantità di energia cumulabile e il peso dell’oggetto accumulatore. Quindi in sostanza a parità di energia accumulata, quando la densità è ridotta, le dimensioni dell’accumulatore sono maggiori.

Vantaggi

Nei condensatori la carica e la scarica sono molto veloci: questo è il primo vantaggio.

Tranne consegue un secondo vantaggio che quello di avere una capacità di erogazione di grandi quantità di energia in poco tempo quindi elevati picchi di potenza. 

I condensatori sono inoltre in grado di sopportare un numero elevato di cicli di carica e scarica quindi il secondo vantaggio è in termini di durata.

Svantaggi

I condensatori infatti hanno una densità di energia ridotta rispetto alle batterie.

Il grafene consente di ridurre notevolmente le dimensioni di questi accumulatori, rispetto ai loro equivalenti privi di grafene, in cui uno dei limiti era proprio questo. Grazie al grafene la densità è stata aumentata ma rimane comunque inferiore rispetto alle batterie ad es. al litio.

Quindi

Ecco quindi qual è il ruolo di questi accumulatori al grafene?

Prima di tutto abbiamo capito non essere corretto denominare batterie.

E infatti una delle applicazioni interessanti nel settore automotive proprio sembra essere proprio in affiancamento e non in sostituzione alle batterie, grazie alle loro caratteristiche quali la capacità di accumulare ed erogare grandi quantità di energia in poco tempo laddove è richiesta.

Una delle applicazioni è ad esempio nelle auto ma anche sul tram o sui treni dove in fase frenante è possibile accumulare rapidamente una grande quantità di energia, per essere poi utilizzata successivamente. 

In modo analogo, visto che qui parliamo di sostenibilità, sembrano essere molto interessanti in accoppiamento alle pale eoliche nell’ambito dei sistemi elettronici di controllo delle pale stesse.

Ma un grande vantaggio anche in relazione alla produzione di energia dal vento o da altre fonti rinnovabili e la capacità di gestire elevati picchi di breve durata che le normali batterie hanno difficoltà a gestire, sia in termini di picchi di produzioni che in termini di picchi di domanda, che oggi dobbiamo compensare con il nucleare o il carbone.

Se da un lato questo tipo di supercondensatori non consentono di avere densità di energia paragonabili con le batterie, dall’altro hanno tempi di carica ma anche di scarica rapidissimi dell’ordine di 15-20 secondi quindi nemmeno lontanamente confrontabili con quelli delle batterie.

Risultano interessanti ovunque servano grandi picchi di energia in poco tempo o capacità di recupero di energia ad esempio dal moto in poco tempo. Il tutto con la capacità di effettuare innumerevoli cicli di carica e scarica.

Quindi per concludere: possiamo parlare di batterie al grafene?

Al momento direi piuttosto accumulatori costituiti da supercondensatori o ultracondensatori che utilizzano grafene, con applicazioni non sovrapponibili, bensì affiancabili a quelle delle batterie.

Bene, tu cosa ne pensi?

Conosci aziende che lavorano nel settore del grafene che stanno proponendo soluzioni interessanti? Faccelo sapere nei commenti!

La sostenibilità passa anche di qui: attraverso lo sviluppo di nuove tecnologie in grado di accumulare energia. Per questo abbiamo parlato e ne parleremo ancora.

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