Il grafene, uno strato di atomi di carbonio connessi in un motivo a nido d'ape, è riconosciuto come un "materiale miracoloso" per via delle sue numerose straordinarie proprietà. È un eccellente conduttore di energia elettrica e termica, estremamente leggero, chimicamente inerte, flessibile con una grande superficie. Inoltre, è considerato ecologico e durevole, con possibilità illimitate per molte applicazioni.

Vantaggi delle batterie al grafene

Nel campo delle batterie, i materiali tradizionali delle batterie (e i materiali potenziali) sono notevolmente migliorati quando sono rinforzati con grafene. Una batteria al grafene può essere leggera, durevole e adatta allo stoccaggio di energia ad alta capacità, riducendo al contempo i tempi di carica. Prolunga la durata della batteria, che è negativamente correlata con la quantità di carbonio applicata al materiale o aggiunta agli elettrodi per raggiungere la conduttività, e il grafene aggiunge conduttività senza le quantità di carbonio utilizzate nelle batterie tradizionali.

Il grafene e le caratteristiche delle batterie

Il grafene può migliorare le caratteristiche delle batterie, come la densità energetica e la forma, in vari modi. Le batterie Li-Ion (e altri tipi di batterie ricaricabili) possono essere migliorate introducendo il grafene nell'anodo della batteria e beneficiando della conduttività e delle grandi proprietà di superficie del materiale per raggiungere l'ottimizzazione morfologica e le prestazioni.

È stato inoltre scoperto che la fabbricazione di materiali ibridi può essere utile per migliorare le batterie. Un ibrido di ossido di vanadio (VO2) e grafene può, ad esempio, essere utilizzato su catodi Li-Ion e offrire cicli di carica e scarica rapidi nonché un'alta resistenza ai cicli di carica. In questo caso, il VO2 offre una grande capacità energetica, ma una scarsa conduttività elettrica, che può essere risolta utilizzando il grafene come una sorta di "scheletro" strutturale a cui il VO2 è fissato, creando così un materiale ibrido che offre sia una capacità aumentata sia un'ottima conduttività.

Un altro esempio sono le batterie LFP (fosfato di ferro-litio), un tipo di batteria Li-Ion ricaricabile. Ha una densità energetica inferiore rispetto ad altre batterie Li-Ion, ma una densità di potenza più alta (un indicatore della velocità con cui l'energia può essere erogata dalla batteria). Migliorare i catodi LFP con grafene rende le batterie leggere, si caricano molto più velocemente delle batterie Li-Ion e hanno una capacità maggiore rispetto alle batterie LFP tradizionali.

Oltre a rivoluzionare il mercato delle batterie, l'uso combinato di batterie al grafene e supercondensatori al grafene potrebbe ottenere risultati sorprendenti, come il concetto registrato di miglioramento dell'autonomia e dell'efficienza dei veicoli elettrici. Sebbene le batterie al grafene non siano ancora commercializzate su larga scala, si segnalano progressi nelle batterie in tutto il mondo.

Fondamenti delle batterie

Le batterie servono come fonte di energia mobile, permettendo ai dispositivi elettrici di funzionare senza essere collegati direttamente a una presa. Sebbene esistano molti tipi di batterie, il concetto di base su cui funzionano rimane simile: una o più celle elettrochimiche convertono l'energia chimica immagazzinata in energia elettrica. Una batteria è generalmente composta da un involucro in metallo o plastica, con un terminale positivo (un anodo), un terminale negativo (un catodo) ed elettroliti che consentono lo spostamento degli ioni tra di essi. Un separatore (una membrana polimerica permeabile) crea una barriera tra l'anodo e il catodo per evitare cortocircuiti elettrici consentendo al contempo il trasporto delle cariche ioniche necessarie per chiudere il circuito durante il flusso di elettricità. Infine, un collettore è utilizzato per condurre la carica all'esterno della batteria, tramite il dispositivo collegato.

Quando il circuito è completato tra i due terminali, la batteria genera elettricità attraverso una serie di reazioni. L'anodo subisce una reazione di ossidazione, in cui due o più ioni dell'elettrolita si combinano con l'anodo per produrre un composto, rilasciando elettroni. Allo stesso tempo, il catodo subisce una reazione di riduzione, in cui la sostanza del catodo, gli ioni e gli elettroni liberi si combinano per formare composti. In termini semplici, la reazione dell'anodo produce elettroni, mentre la reazione nel catodo li assorbe, ed è da questo processo che viene generata elettricità. La batteria continuerà a produrre elettricità finché gli elettrodi non disporranno più della sostanza necessaria per creare reazioni.

Tipi di batterie e caratteristiche

Le batterie sono divise in due tipi principali: batterie primarie e secondarie. Le batterie primarie (monouso) vengono utilizzate una volta e diventano inutilizzabili, poiché i materiali degli elettrodi cambiano irreversibilmente durante la scarica. Gli esempi comuni sono le batterie zinco-carbone e alcaline, utilizzate in giocattoli, torce e una varietà di dispositivi portatili. Le batterie secondarie (ricaricabili) possono essere scaricate e ricaricate più volte, poiché la composizione originale degli elettrodi è in grado di ripristinare la sua funzionalità. Gli esempi includono le batterie al piombo-acido utilizzate nei veicoli e le batterie agli ioni di litio utilizzate per l'elettronica portatile.

Le batterie esistono in varie forme e dimensioni per molti usi diversi. Diversi tipi di batterie presentano vari vantaggi e svantaggi. Le batterie nichel-cadmio (NiCd) hanno una densità energetica relativamente bassa e vengono utilizzate dove sono essenziali una lunga durata, un'elevata velocità di scarica e un prezzo economico. Si possono trovare in videocamere e utensili elettrici, tra altre applicazioni. Le batterie NiCd contengono metalli tossici e non sono ecologiche. Le batterie nichel-metallo idruro hanno una densità energetica più elevata rispetto alle batterie NiCd, ma una durata più breve. Le applicazioni includono telefoni cellulari e computer portatili. Le batterie al piombo-acido sono pesanti e svolgono un ruolo importante nelle applicazioni ad alta potenza, dove il peso non è essenziale ma il prezzo economico sì. Sono comuni in applicazioni come apparecchiature ospedaliere e illuminazione di emergenza.

Le batterie agli ioni di litio (Li-Ion) sono utilizzate dove sono importanti un'elevata energia e un peso minimo, ma la tecnologia è vulnerabile e un circuito di protezione è necessario per garantire la sicurezza. Le applicazioni includono telefoni cellulari e vari tipi di computer. Le batterie ai polimeri di litio (Li-Ion-Polymer) si trovano generalmente nei telefoni cellulari. Sono leggere e hanno una forma più sottile rispetto alle batterie Li-Ion. Sono anche generalmente più sicure e durano più a lungo. Tuttavia, sembrano meno comuni, poiché le batterie Li-Ion sono meno costose da produrre e hanno una densità energetica più elevata.

Batterie e supercondensatori

Sebbene esistano alcuni tipi di batterie in grado di immagazzinare una grande quantità di energia, sono molto grandi, pesanti e rilasciano energia lentamente. I condensatori, d'altro canto, possono essere caricati e scaricati rapidamente, ma contengono molta meno energia di una batteria. Tuttavia, l'uso del grafene in questo campo offre nuove entusiasmanti possibilità per lo stoccaggio dell'energia, con alti tassi di carica e scarica e persino una convenienza economica. Le prestazioni migliorate dal grafene sfumano così la linea convenzionale di distinzione tra supercondensatori e batterie.

In arrivo: Batterie migliorate al grafene

Le batterie a base di grafene hanno un potenziale entusiasmante e, sebbene non siano ancora pienamente disponibili sul mercato, la ricerca e lo sviluppo sono intensivi e dovrebbero produrre risultati in futuro. Aziende di tutto il mondo (inclusi Samsung, Huawei e altre) stanno sviluppando diversi tipi di batterie migliorate al grafene, alcune delle quali sono ora sul mercato. Le principali applicazioni si trovano nei veicoli elettrici e nei dispositivi mobili.

Alcune batterie utilizzano il grafene in modo periferico - non in profondità. Ad esempio, Huawei ha presentato nel 2016 una nuova batteria Li-Ion rinforzata al grafene, che utilizza il grafene per rimanere funzionale a temperature più elevate (60 gradi invece del limite attuale di 50 gradi) e offre un tempo di funzionamento doppio. Il grafene è utilizzato in questa batteria per fornire una migliore dissipazione del calore - abbassa la temperatura di funzionamento della batteria di 5 gradi.