Batteria al grafene vs batteria agli ioni di litio – Spiegazione tecnica

Quasi tutti i dispositivi elettronici portatili oggi, siano essi i nostri smartphone o veicoli elettrici, sono dotati delle batterie agli ioni di litio ampiamente utilizzate. Hanno una carica limitata, sono piuttosto ingombranti, devono essere ricaricate spesso e hanno una durata modesta. Ecco perché i ricercatori hanno lavorato sodo per inaugurare l’alternativa più discussa alle batterie agli ioni di litio, ovvero la batteria al grafene.

Si dice che le batterie al grafene siano l’alternativa assoluta alle nostre batterie agli ioni di litio di ultima generazione. Le batterie al grafene sono di per sé piuttosto leggere, avanzate e potenti. Il grafene è risultato essere un materiale superiore in quanto non solo ha una maggiore conduttività elettrica e termica, ma è anche abbastanza leggero, flessibile e durevole. Pertanto, le batterie al grafene sono in fase di sviluppo ormai da molti anni e si prevede che diventeranno mainstream nei prossimi due anni.

Quindi, se sei curioso di conoscere il grafene, le batterie al grafene e come si differenziano dalle normali batterie agli ioni di litio, allora sei arrivato nel posto giusto. Ecco tutto ciò che devi sapere sulle batterie al grafene:

Nota: questo articolo prevede l’uso di molta terminologia scientifica e chimica, ma abbiamo cercato di semplificarlo il più possibile per la tua comprensione.

Cos’è il grafene? Quali sono i suoi vantaggi?

Invece di tuffarti direttamente nel mondo delle batterie al grafene, lascia che ti parli prima del grafene stesso. Scommetto che la maggior parte di noi ha imparato a scuola che il carbonio esiste in molte forme diverse sulla Terra, dalla grafite al diamante. Ebbene, ciò accade a causa della diversa disposizione degli atomi di carbonio nei diversi materiali. Lo stesso vale per il grafene.

Il grafene è una struttura bidimensionale (2D), in cui gli atomi sono disposti piatti per formare anelli di carbonio esagonali come un nido d’ape. La struttura è alta solo un atomo ed è una delle scoperte più interessanti degli ultimi tempi, grazie alle sue proprietà. Sebbene il grafene sia estremamente sottile, leggero e quasi trasparente, questo materiale è noto per essere più resistente del diamante e dell’acciaio. È super forte ed è anche un ottimo conduttore di elettricità.

La struttura esagonale piatta rende più semplice il flusso di elettricità con poca resistenza, offrendo una migliore conduttività elettrica e termica migliore rispetto al rame metallico più conduttivo. Non sono necessarie condizioni speciali perché il grafene offre una notevole conducibilità a temperatura ambiente, rendendolo così uno dei materiali perfetti per la creazione di batterie di nuova generazione.

Batterie al grafene: in cosa differiscono dalle batterie agli ioni di litio?

La struttura interna di una batteria al grafene è abbastanza simile a quella di una batteria standard agli ioni di litio. Hai 2 elettrodi e una soluzione elettrolitica per consentire il flusso di carica, ma qui c’è una notevole differenza. Uno degli elettrodi nelle batterie a base di grafene, principalmente il catodo, viene sostituito con un materiale composito ibrido (metallo a stato solido + grafene) utilizzato al posto di un metallo a stato solido standard.

Mentre le batterie al grafene si dimostrerebbero molto presto molto migliori delle batterie agli ioni di litio, i ricercatori stanno ora cercando di migliorare le prestazioni della batteria per le batterie esistenti utilizzando il grafene. Potrebbero sfruttare la conducibilità di questo materiale e una maggiore superficie nell’anodo per ottimizzare le batterie agli ioni di litio.

È anche noto che i ricercatori stanno lavorando su materiali ibridi come l’ossido di vanadio (VO2) e il grafene, che potrebbero anche essere utili per migliorare l’ottimizzazione della batteria, caricarla e scaricarla rapidamente.

Vantaggi dell’utilizzo di una batteria al grafene

La batteria al grafene è una nuova tecnologia, ma ciò non significa che non sia stata testata. I produttori hanno dedicato un bel po’ di tempo alla ricerca sulle batterie al grafene e perché non dovrebbero, soprattutto quando è superiore alle batterie agli ioni di litio che usiamo in questo momento. Quindi, diamo una rapida occhiata ai vantaggi dell’utilizzo di una batteria al grafene:

• Batteria più piccola e più sottile: abbiamo già discusso di come il grafene sia leggero. È quando impili 3 milioni di strati di grafene che ottieni uno spessore di 1 mm. Voglio dire, questo dovrebbe essere sufficiente per dirti che le batterie al grafene non occuperanno molto spazio nel tuo futuro smartphone. Consentirà ai produttori di inserire batterie di maggiore capacità in telefoni, tablet, laptop e altro ancora.
• Maggiore capacità: il grafene ha una densità energetica maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio. Laddove quest’ultimo è noto per immagazzinare fino a 180 Wh per chilogrammo, il grafene è in grado di immagazzinare fino a 1.000 Wh per chilogrammo. Quindi, puoi avere un pacco batteria al grafene di capacità superiore delle stesse dimensioni della batteria agli ioni di litio.

• Tempi di ricarica più rapidi: il grafene è un potente conduttore di energia elettrica poiché la struttura a nido d’ape non offre alcuna resistenza al flusso di elettroni. Pertanto, può ricaricarsi rapidamente, fornendo al contempo una maggiore durata della batteria rispetto alle batterie agli ioni di litio.
• Gestione termica: sì, potresti non averlo indovinato, ma il grafene facilita anche una migliore dissipazione del calore. Può ridurre la temperatura operativa della batteria fino a 5 gradi, quindi il telefono non si surriscalda durante la ricarica o durante il gioco.
• Maggiore sicurezza: le batterie al grafene dovrebbero essere molto più sicure delle batterie agli ioni di litio poiché il materiale è più flessibile e resistente. Ciò significa che i futuri pacchi batteria non avranno bisogno di un sacco di custodie protettive, occupando meno spazio e essendo leggeri.

Per riassumere, nei prossimi anni una batteria al grafene rappresenterà una scelta migliore rispetto a una batteria agli ioni di litio. Sarà notevolmente più economico, più piccolo, più leggero, offrendo allo stesso tempo una maggiore capacità di accumulo elettrico e velocità di ricarica più elevate.

Carenze della batteria al grafene

Le batterie al grafene hanno una serie di vantaggi, ma l’unico difetto che ne impedisce l’adozione di massa nei nostri dispositivi è la produzione di massa e i relativi costi.

Perché è difficile produrre in serie batterie al grafene? Bene, è a causa della mancanza di una tecnica fattibile per la produzione di massa di grafene di alta qualità. Sicuramente potresti produrre grafene a casa usando grafite e nastro adesivo, ma questo non funziona per la produzione di massa delle batterie. La mancanza dello stesso fa aumentare anche i costi di produzione poiché dovrà essere presa in considerazione la qualità dei materiali, che potrebbe arrivare da decine a migliaia di dollari.

Attualmente, le batterie al grafene vengono sviluppate in piccole quantità da una manciata di produttori. Ma altri come Samsung stanno cercando modi per ridurre i costi per rendere le batterie di nuova generazione utilizzabili. Si dice che il gigante coreano abbia escogitato mezzi convenienti per produrre batterie al grafene e possiamo aspettarci un aggiornamento molto presto.

Commercializzazione di batterie al grafene

Le batterie al grafene hanno un potenziale straordinario e danno risultati migliori rispetto ai pacchi batteria esistenti, qualcosa che dovrebbe esserti diventato abbastanza chiaro ormai. La ricerca in questo campo è stata piuttosto dilagante negli ultimi due decenni, ma dovremo ancora essere pazienti per la sua commercializzazione.

Molte aziende stanno attualmente testando le batterie al grafene o stanno cercando di migliorare le batterie al litio con il grafene per migliorarne le prestazioni, ma al momento non sono completamente disponibili in commercio.

• La ricerca sul grafene di Samsung

Samsung SDI, la divisione produttrice di batterie del colosso coreano, sta lavorando attivamente in questo campo e negli ultimi anni ha registrato numerosi progressi. In primo luogo, abbiamo appreso che Samsung ha sviluppato delle “sfere di grafene” che potrebbero far durare più a lungo le batterie agli ioni di litio (offrendo al contempo una capacità maggiore del 45%) e caricarsi 5 volte più velocemente.

Da allora Samsung ha taciuto sui suoi piani per le batterie al grafene, ad eccezione di una manciata di apparizioni in esposizioni automobilistiche ed elettroniche. Tuttavia, ci sono state voci secondo cui un nuovo smartphone con batteria al grafene è in lavorazione presso Samsung e potrebbe essere presentato nel 2020 o 2021. Si dice che queste batterie si carichino completamente in mezz’ora, rimangano operative a temperature più elevate di 60 gradi, ma al momento non siamo a conoscenza della sua capacità e composizione.

• Ulteriori ricerche e OEM

Oltre a Samsung, ci sono un certo numero di produttori di batterie, come CellsX, che già producono e spediscono batterie al grafene ai suoi partner. Hanno progettato non solo pacchi batteria più piccoli per power bank (ne parleremo più avanti), ma hanno anche realizzato batterie più grandi per modellini di quadricotteri e veicoli elettrici. Huawei ha anche presentato nel 2016 una batteria agli ioni di litio potenziata con grafene per offrire tempi operativi più lunghi e facilitare la dissipazione del calore.

Mentre le batterie al grafene devono ancora fare la loro comparsa sui nostri telefoni, puoi comunque caricarle con un power bank carico di batterie al grafene. Sì, sul mercato sono disponibili alcuni power bank con batterie al grafene. Chiamati Apollo e Ultron, questi power bank hanno optato per il crowdfunding, hanno ottenuto il numero di sostenitori di cui avevano bisogno e stanno già distribuendo questi prodotti. Puoi leggere tutto su questi power bank proprio qui.

D’altra parte, il famoso produttore di auto elettriche Tesla e l’indiano Log9 stanno mostrando interesse per le batterie metallo-aria. Implicano l’uso di un’asta di grafene come catodo poiché è porosa e lascia passare l’aria. Le batterie metallo-aria possono aiutare ad aumentare l’efficienza della batteria fino a 5 volte a un terzo del costo, il che suona alla grande.

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Le batterie al grafene potrebbero cambiare le regole del gioco

Le batterie al grafene sono sicuramente la prossima grande novità perché il carbonio è in abbondanza rispetto al litio, che è un metallo raro. I produttori hanno cercato di utilizzare il materiale di grafene in quasi tutto sin dalla sua scoperta nel 2004. Quindi, possiamo aspettarci che un certo numero di prodotti carichi di grafene, in particolare batterie di grafene, si realizzino entro i prossimi due anni. Saranno ancora limitati a smartphone selezionati, ma presto avremo almeno un prototipo funzionante tra le mani. Quali sono le tue aspettative dalle batterie al grafene? Sei eccitato per batterie ancora più grandi? Fateci sapere nei commenti qui sotto.