Spiegazione completa delle batterie e della tecnologia al grafene

I materiali per batterie sviluppati dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'Energia e dalla Vorbeck Materials Corp. di Jessup, nel Maryland, consentono la ricarica di utensili elettrici e altri dispositivi che utilizzano batterie agli ioni di litioin pochi minuti piuttosto che ore. Inoltre, la tecnologia delle batterie al grafene promette una maggiore capacità attraverso l’uso di anodi di silicio anziché di carbonio per le nuove soluzioni di batterie agli ioni di litio.

Inoltre, diversi produttori, come Positec (che produce Worx, Rockwell e Kress), utilizzano già la tecnologia delle batterie al grafene in determinati utensili elettrici portatili.

Il grafene esiste come un singolo strato di atomi di carbonio. Questi atomi sono disposti secondo uno schema esagonale organizzato. Il grafene vive come un materiale quasi "bidimensionale" con alcune proprietà fisiche e chimiche uniche che gli conferiscono numerosi vantaggi, tra cui elevata conduttività elettrica, eccellente resistenza meccanica ed elevata conduttività termica.

In effetti, il grafene è 100 volte più efficace nel condurre l’elettricità rispetto al rame! Inoltre fa passare gli elettroni fino a 140 volte più velocemente del silicio. Questo è ciò che rende il materiale in grafene così importante per scoprire come caricare le batterie più rapidamente.

I produttori (e gli scienziati) considerano il grafene un materiale promettente per un’ampia gamma di applicazioni. Sulla base della ricerca e del modo in cui lo vediamo utilizzato oggi, potrebbe svolgere un ruolo molto importante nell’elettronica, nello stoccaggio dell’energia e nei compositi. Date le proprietà uniche del grafene, ha effettivamente il potenziale per rivoluzionare lo stoccaggio dell’energia e la densità di potenza disponibile nei migliori utensili elettrici.

L'invenzione delle batterie al grafene è iniziata con la scoperta di come acquisire il grafene sotto forma di un singolo atomo. Ciò viene solitamente attribuito a un team di ricercatori dell’Università di Manchester, nel Regno Unito. Il team, guidato dal premio Nobel Sir Andre Geim e dal fisico russo-britannico Konstantin Novoselov, ha scoperto alcune caratteristiche interessanti del grafene nel 2004.

Durante uno degli "esperimenti del venerdì sera" settimanali di Andre e Kostya, i due scienziati hanno utilizzato del nastro adesivo per rimuovere alcune scaglie da un pezzo di grafite sfusa. Notando che alcuni fiocchi erano più sottili di altri, continuarono a sperimentare. Separando ripetutamente i frammenti di grafite, alla fine hanno creato scaglie dello spessore di un solo atomo! Questo esperimento ha portato all’isolamento del primo caso di grafene.

Vorbeck Materials Corp. ha collaborato con Ilhan Aksay, professore di ingegneria chimica e biologica all'Università di Princeton. Il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha dimostrato che piccole quantità di grafene, un foglio ultrasottile di atomi di carbonio, possono migliorare notevolmente la potenza e la stabilità ciclica delle batterie agli ioni di litio. Inoltre, può farlo mantenendo un’elevata capacità di accumulo di energia.

Nel 2016, Dongxu Optoelectronic Technology con sede a Pechino ha presentato la sua batteria G-King da 4800 mAh. Questa batteria in stile laptop si ricarica in meno di 15 minuti e supporta fino a 3500 cicli.

Nel 2017, il Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) ha annunciato la sua "palla di grafene". Questo esclusivo materiale per batterie ha mostrato un aumento del 45% della capacità di stoccaggio insieme a velocità di ricarica fino a 5 volte superiori a quelle di una batteria agli ioni di litio standard.

La nuova tecnologia promette enormi vantaggi sia per i dispositivi mobili che per i veicoli elettrici. Il mercato dei veicoli elettrici ha molto senso una volta che ci si rende conto che la sfera di grafene può mantenere una temperatura stabile di 60 gradi Celsius.

Samsung ha aperto la strada ai metodi per sintetizzare il grafene in una forma 3D e quindi applicarlo alle batterie. Lo ha fatto utilizzando la silice economica (SiO2). Hanno applicato questa “sfera di grafene” sia sullo strato protettivo dell’anodo che sui materiali del catodo nelle batterie agli ioni di litio.

Le batterie standard agli ioni di litio continuano a crescere in densità di potenza, ma non hanno fatto passi da gigante nella riduzione del tempo di ricarica. Le batterie al grafene presentano due principali vantaggi rispetto agli ioni di litio standard:

Il modo in cui funziona è semplice, almeno in teoria. L’uso di batterie a base di grafene è una direzione completamente nuova. Fa sì che le celle della batteria si carichino più rapidamente. Le batterie agli ioni di litio funzionano trasferendo gli ioni di litio tra un catodo e un anodo utilizzando un elettrolita liquido. Ciò richiede un certo tempo, soprattutto durante la fase di ricarica.