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29.06.2020 - 10:370

In arrivo le super batterie al grafene

Le batterie al grafene promettono tempi di ricarica più veloci, temperature inferiori, maggiore sicurezza e durata

Il grafene è considerato da molti un materiale con delle proprietà straordinarie. Tra i suoi vari utilizzi vi è la possibilità di impiegarlo per costruire delle batterie più efficienti, più sicure e più veloci da ricaricare. Ancora oggi le batterie più diffuse sono quelle agli ioni di litio e a carica veloce, tuttavia molte aziende produttrici stanno iniziando a pensare concretamente di sostituirle con quelle più piccole e performanti al grafene. Ecco, di seguito, due importanti esempi a tal riguardo.

La proposta europea

Il progetto europeo per la realizzazione di una futuristica batteria al grafene si chiama “Graphene Flagship” e nasce dal lavoro congiunto dei ricercatori del colosso tedesco Varta, dell’Istituto Italiano di Tecnologia e della BeDimensional, lo spin-off per il grafene dell’Iit, con a capo il professor Vittorio Pellegrini. Il trio Varta-Iit-BeDimensional ha realizzato delle batterie-prototipo che adoperano una combinazione di litio, silicio e grafene.

I ricercatori hanno trovato il modo di ottenere il meglio dal promettente nuovo standard per le batterie al litio, ovvero l’uso del silicio come anodo. Il silicio consente teoricamente un incremento della quantità di energia disponibile fino a dieci volte, ma il problema è che si tratta di un materiale abbastanza delicato. Infatti, quando la batteria si scarica e si ricarica, il silicio si espande e si ritrae e alla fine può anche rompersi, compromettendo così l’intera batteria. Questo è il motivo per cui non è ancora adoperato in batterie commerciali, o comunque è usato in piccolissime quantità.

La soluzione che i ricercatori Varta-Iit-BeDimensional hanno escogitato è stata quella di inserire nell’anodo una minima quantità di grafene così che la batteria resti stabile. Si tratta di un materiale a due dimensioni, in sostanza uno strato di grafite dello spessore di un atomo, che consente di “legare” tra loro le particelle di silicio evitando la rottura. In questo modo la batteria garantisce prestazioni più elevate, cioè una quantità di energia maggiore del 30% rispetto a quelle attuali agli ioni di litio e una durata di almeno 300 cicli prima di iniziare a decadere, il che significa alcuni anni di utilizzo ad alto livello.

Nei prossimi mesi un migliaio di queste batterie-prototipo saranno testate dai principali produttori di dispositivi elettronici. Verranno infatti utilizzate per il funzionamento di un gran numero di piccoli oggetti elettronici, dagli orologi da polso smart fino alle chiavi intelligenti delle auto o le cuffie wireless. La loro applicazione più rilevante sarà forse nel settore della salute, basti pensare all’utilizzo in pacemakers, apparecchi acustici, pompe di insulina e defibrillatori.

Per il prossimo futuro si sta già lavorando anche per un’applicazione delle batterie litio-silicio-grafene nel campo della mobilità elettrica. Uno dei principali problemi in questo settore è però quello del rapporto energia-peso. Attualmente una batteria per un’automobile Tesla, ad esempio, fornisce all’incirca 2-300 watt-ora per ogni chilogrammo di peso. Se si pensa che un litro di gasolio ha una densità di energia di circa 20 volte superiore, ciò significa che un pieno di 50 litri equivale a una batteria pesante una tonnellata. Si tratta ovviamente di un gap che deve essere superato e il promettente rendimento maggiore del 30% delle innovative batterie della ricerca Varta-Iit-BeDimensional va proprio in questa direzione.

Sul versante americano

La Real Graphene, un’azienda statunitense che sviluppa batterie, ha affermato non solo di aver messo a punto una batteria al litio-grafene rivoluzionaria, ma di essere anche molto vicina alla sua produzione in volumi per il mercato di massa.

La batteria messa a punto dalla Real Graphene avrebbe diverse qualità davvero importanti, prima fra tutte i brevissimi tempi di ricarica. Secondo Samuel Gong, CEO dell’azienda, una loro batteria da 3000 mAh potrebbe raggiungere la massima carica in appena 20 minuti con un caricabatteria da 60 W, quando normalmente con le attuali batterie sono necessari circa 90 minuti.

Inoltre, mentre la maggior parte delle batterie per smartphone non possono gestire più di 300-500 cicli di ricarica, a parità di capacità le batterie Real Graphene possono durare circa 1500 cicli.

Infine, dato che le celle genererebbero molto meno calore, questo garantirebbe anche una sicurezza superiore durante il funzionamento.

«Il grafene è uno straordinario conduttore di calore ed elettricità», ha dichiarato Samuel Gong a Digital Trends. «Al litio non piace quando si introduce e si chiede molta energia. Abbiamo applicato il grafene in due modi diversi. Lo abbiamo mescolato nella soluzione assieme al litio, inoltre abbiamo aggiunto uno strato composito nelle celle. Funziona come un conduttore per l’elettricità e non genera tanto calore».

«L’aggiunta di un foglio di grafene non influisce sulle qualità di una cella. Il foglio è spesso solo da uno a cinque atomi e questo non influisce affatto sulle proprietà fisiche. È facile da produrre perché le celle possono avere la stessa forma e dimensione, ma ottenendo i benefici immediati del grafene», ha spiegato sempre Gong. «Mentre la cella stessa è praticamente identica in termini di dimensioni, c’è un’ovvia differenza di prezzo. La stima è che una batteria Real Graphene avrebbe un 30% in più di costo rispetto alle normali batterie al litio attuali. Ciò comporterebbe naturalmente un aumento del costo complessivo di un telefono, ma molti probabilmente pagherebbero un po’ di più per una batteria che si carica più velocemente e non si degrada così rapidamente».

Le prime batterie Real Graphene, secondo Gong, saranno impiegate dai grandi brand del settore mobile nel giro di un anno. Nel frattempo, l’azienda americana vorrebbe lanciare una campagna di crowdfunding per realizzare dei battery pack super veloci.

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