Batterie al grafene. Sviluppi, trend e applicazioni nel panorama delle e-car

Batterie per veicoli elettrici e grafene: un futuro che è già realtà, in alcuni casi. Ecco come e perché questo materiale innovativo sta segnando il settore della mobilità elettrica, ma non solo.

“Il grafene, in quanto allotropo del carbone, possiede proprietà e caratteristiche altamente efficienti e in grado di costituire un punto di riferimento in vari settori”.*

In virtù delle sue caratteristiche e potenzialità, l’UE ha annunciato nel 2013 un piano di investimento ultra decennale (progetto Graphene Flagship) per sviluppare tecnologie basate sul grafene.

Il progetto ha riunito quasi 170 partner accademici e industriali in 22 paesi per favorirne le applicazioni commerciali.

Grafene, cos’è?

Inventato nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov, ricercatori all’università di Manchester e vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2010, il grafene è un nanomateriale formato da un unico strato di atomi di carbonio in forma di reticolo esagonale.

Un milione di volte più sottile di un capello umano è l’oggetto più sottile mai inventato ma al contempo è tra i più resistenti, circa 200 volte più dell’acciaio ed è anche un eccellente conduttore termico, con una velocità maggiore rispetto alla maggior parte degli altri materiali. *

Questo materiale innovativo è tuttora oggetto di diversi test e ricerche, che interessano le economie mondiali.

Ma come può migliorare la produzione di batterie per i veicoli elettrici?

Scopriamone peculiarità e punti di forza.

 

Un materiale eccezionale

Il grafene è un materiale eccezionale con diverse proprietà positive che lo rendono oggetto di ricerche e applicazioni innovative. Ecco tre aspetti positivi:

Conducibilità elettrica straordinaria:

Il grafene è noto per la sua eccezionale conducibilità elettrica. La sua struttura a foglio bidimensionale di carbonio permette al grafene di trasportare elettroni a una velocità estremamente elevata (6 volte superiore al rame).

Una caratteristica che lo rende un candidato ideale per applicazioni nell’elettronica, come semiconduttore e nelle batterie ad alta efficienza.

Elevata conducibilità termica:

Oltre alla sua eccellente conducibilità elettrica, il grafene mostra anche un’elevata conducibilità termica.

La capacità di dissipare il calore in modo efficiente lo rende prezioso in applicazioni quali dispositivi termici, sistemi di raffreddamento e materiali compositi avanzati.

Robustezza e resistenza meccanica:

Estremamente robusto nonostante la sua struttura sottile, il grafene ha una resistenza meccanica, che supera quella di molti materiali convenzionali; lo rende adatto, inoltre, per applicazioni in cui la leggerezza e la forza sono cruciali, come nei materiali compositi avanzati, nei rivestimenti resistenti all’usura e nelle applicazioni aerospaziali.

Questi aspetti positivi sono supportati da ricerche pubblicate su riviste scientifiche autorevoli, dimostrando il suo potenziale rivoluzionario in diversi settori tecnologici e scientifici.

Il futuro dell’accumulo energetico

Il grafene, come detto, è costituito da un foglio di carbone puro con unico strato di atomi posti in modo reticolare a formare un esagono regolare. La sua durata di vita è molto più elevata rispetto al litio e le sue proprietà sono simili al carbonio; è estremamente resistente e cinque volte più leggero dell’alluminio.

È di gran lunga più semplice da sintetizzare in laboratorio e le batterie realizzate con questo materiale possono durare parecchio più a lungo rispetto alle batterie al litio.

Una vera e propria svolta nel settore, “game changer” e probabilmente punto di svolta nel settore dell’e-car.

Potenza ed efficacia sono i due elementi chiave su cui si stanno concentrando i test. Gli esiti finora positivi fanno ben sperare in un loro uso a breve termine nell’accumulo energetico, ottenendo batterie più durature e performanti.

Un vantaggio anche per l’ambiente, dati i tempi più lunghi di durata in termini di usura. A beneficiarne anche la ricarica stessa, molto più breve rispetto a quella della batterie al litio.

Questi aspetti rendono le batterie al grafene perfette per diverse applicazioni, ad esempio nella scienza dei materiali e in particolare per le auto elettriche; la ricarica veloce eliminerebbe i tempi di ricarica notturni con un minore consumo energetico e frequenza di ricarica.

Una tecnologia applicabile anche a prodotti come smartphone (ricaricabile in cinque minuti), display flessibili, pannelli solari, dissalatori di acqua di mare, smartwatch ed altri gadget che richiedono una ricarica elettrica.

Grafene, cosa dicono gli studi

Lo studio “Synthesis and characterization of graphene and its composites for Lithium-Ion battery applications: A comprehensive review” evidenzia come in questi ultimi anni, la richiesta di batterie al litio ricaricabili ad alte prestazioni ha registrato una crescita notevole, concentrandosi sul miglioramento di materiali elettricamente conduttori all’avanguardia.

Il grafene e i materiali basati su di esso sono stati oggetto di ulteriori studi e ricerche, riconosciuti ora come materiali ad alte prestazioni per l’elettroconduttività.

Il grafene è stato creato a base di carbonio bidimensionale e presenta una straordinaria conducibilità elettrica, eccellente mobilità intrinseca degli elettroni, resistenza meccanica potenziata, trasparenza fotosensibile, attività catalitica e stabilità chimica

Questo materiale e i suoi composti sono presentati come “materiali di interesse” per varie tecnologie di archiviazione dell’energia, in particolare nelle batterie al litio.

Le proprietà eccezionali, come la sua enorme area superficiale, alta conduttività elettrica e mobilità intrinseca degli elettroni, lo rendono ideale per migliorare le prestazioni delle batterie.

Nell’articolo sono menzionate diverse ricerche che hanno utilizzato il grafene in combinazione con altri materiali per migliorare la capacità, la velocità di carica/scarica e la stabilità ciclica delle batterie al litio.

Sin dalla sua creazione, il grafene ha suscitato grande interesse per le sue straordinarie proprietà, tra cui la trasparenza, la leggerezza, la flessibilità e la resistenza.

Eppure, la produzione su larga scala è limitata a causa dei costi elevati. Diverse tecniche sintetiche sono state utilizzate per produrre grafene di alta qualità, ma la sfida rimane nell’ottimizzazione dei costi di produzione.

Nonostante ciò, il grafene rimane un candidato promettente per migliorare le prestazioni delle batterie al litio e contribuire allo sviluppo di tecnologie di archiviazione dell’energia avanzate.

Sviluppi industriali del grafene

Una batteria al grafene a prova di proiettile

Nanotech Energy, in collaborazione con Voltaplex, ha sviluppato una batteria al grafene a prova di proiettile e che non va a fuoco ad alte temperature.

La necessità di produrre un sistema di accumulo più sicuro nasce dall’osservazione della frequenza con cui, a temperature elevate, le batterie tendono a prendere fuoco.

La Consumer Product Safety Commission nel 2018, negli USA, ha segnalato più di 25.000 incidenti in cui le batterie si sono surriscaldate fino a causare incendi.

I primi test hanno visto l’impiego del grafene in un nuovo accumulatore agli ioni di litio, con uno stress anche sopra i 180° senza prendere fuoco.

Altra prova, diventata virale sul web, lo sparo di un proiettile che pur attraversando la batteria a 900 m/s non provoca scintille.

Curtis Collar, Chief Sales di Nanotech Energy scrive:

“Abbiamo letto svariate volte di enormi incendi causati da batterie economiche e di scarsa qualità. I loro devastanti effetti hanno causate significative perdite alle persone: a volte la casa, altre volte le loro attività. Nei casi peggiori addirittura la loro vita. Con la nostra batteria, diciamo basta a tutto questo”.

Tutto sembrerebbe pronto, quindi, per un imminente lancio sul mercato.

Le batterie al grafene sul SUV GAC

GAC, rinomata casa automobilistica cinese, ha ufficialmente annunciato il prossimo lancio del suo SUV elettrico di ultima generazione, Aion V.

Ciò che rende questo veicolo unico è l’adozione di una batteria al grafene, consentendo una straordinaria velocità di ricarica dallo 0% all’80% in soli 8 minuti. La Aion V ha superato con successo test dimostrativi, raggiungendo un picco di potenza di ricarica di 481 kW.

Il SUV sarà disponibile in due versioni, 3C e 6C, con la 6C in grado di supportare la ricarica ultra-rapida, promettendo un’eccezionale autonomia di 1.000 km secondo lo standard NEDC. Durante i test, è emerso che l’auto ha ricevuto 35,1 kWh in soli 4 minuti, evidenziando l’efficienza della batteria al grafene.

 

GAC ha consolidato la sua esperienza nel campo del grafene dal 2014, affermando di poter applicare questa tecnologia non solo alle batterie agli ioni di litio ma anche a quelle al litio zolfo e ai supercapacitori.

Eppure, l’implementazione su queste ultime dovrà attendere. GAC ha mantenuto le promesse fatte all’inizio dell’anno riguardo all’introduzione tempestiva di questa rivoluzionaria batteria al grafene, avviando la produzione di massa senza fornire ancora dati dettagliati sulla capacità e sulla velocità massima di ricarica, aspetti in cui il grafene eccelle.

Batterie per veicoli elettrici, domanda in crescita

Un recente report di IEA (The International Energy Agency) analizza lo stato della domanda di batterie per veicoli elettrici.

In particolare, si rileva che la domanda di batterie al litio per veicoli elettrici (EVs) è aumentata di circa il 65% a 550 GWh nel 2022, rispetto ai 330 GWh nel 2021. Questo aumento è principalmente dovuto alla crescita delle vendite di auto elettriche, con nuovi registri in aumento del 55% nel 2022 rispetto al 2021.

In Cina, la domanda di batterie per veicoli è cresciuta oltre il 70%, mentre le vendite di auto elettriche sono aumentate dell’80% nel 2022 rispetto al 2021.

Negli Stati Uniti, la domanda di batterie per veicoli è cresciuta di circa l’80%, nonostante le vendite di auto elettriche siano aumentate solo del 55% nel 2022.

La dimensione media della batteria per le auto elettriche negli Stati Uniti è cresciuta solo del 7% nel 2022, ma rimane circa il 40% più grande rispetto alla media globale, principalmente a causa della maggior quota di SUV nelle vendite di auto elettriche negli Stati Uniti.

La vendita delle auto elettriche

Il trend globale* mostra che le vendite di auto elettriche a batteria (BEV) e ibride plug-in (PHEV) superano le vendite di veicoli ibridi elettrici (HEV), aumentando così ulteriormente la domanda di batterie.

L’aumento della domanda di batterie ha un impatto sulla richiesta di materiali critici come il litio, il cobalto e il nichel.

Batterie: diffusione e tendenze

La chimica delle batterie al litio-nichel-manganese-cobalto (NMC) rimane dominante, con una quota di mercato del 60%, seguita dalla fosfato di ferro e litio (LFP) con circa il 30%, e l’ossido di alluminio cobalto nickel (NCA) con circa l’8%.

Le batterie LFP stanno guadagnando quota di mercato, principalmente grazie alle preferenze dei produttori cinesi. Circa il 95% delle batterie LFP per veicoli elettrici leggeri (LDV) è destinato a veicoli prodotti in Cina. Tesla, che rappresenta il 15% della domanda di batterie LFP, ha aumentato la sua quota dal 20% nel 2021 al 30% nel 2022.

Le batterie LFP differiscono da altre chimiche utilizzando ferro e fosforo al posto di nichel, manganese e cobalto. Ciò nonostante, le batterie LFP hanno una densità energetica inferiore rispetto alle NMC e contengono fosforo, un elemento utilizzato anche nella produzione alimentare. Se tutte le batterie fossero LFP, potrebbero rappresentare quasi l’1% dell’attuale utilizzo mondiale di fosforo agricolo.

Emergono alternative alle batterie al litio, come quelle al sodio-ion (Na-ion), che sono più economiche e non richiedono materiali critici. Le batterie Na-ion sviluppate dalla cinese CATL sono stimate costare il 30% in meno rispetto alle batterie LFP, ma hanno una densità energetica inferiore. Tuttavia, le Na-ion potrebbero essere adatte per veicoli urbani o stoccaggio stazionario.

I prezzi dei materiali critici possono influenzare la scelta della chimica delle batterie. La variazione di prezzo e disponibilità di materiali critici può spiegare lo sviluppo delle chimiche delle batterie negli ultimi anni. L’uso di nichel nelle batterie NMC ha portato a una preferenza per proporzioni più basse di nichel (NMC622 e NMC811) a causa dell’aumento del prezzo del nichel nel 2022.

I prezzi del carbonato di litio sono aumentati negli ultimi due anni, raggiungendo sei volte la media del periodo 2015-2020 all’inizio del 2023. Mentre i prezzi del litio sono diminuiti del 20% nei primi tre mesi del 2023, potrebbero tradursi in prezzi delle batterie più bassi se la tendenza persiste.

Prezzi: la Cina ha i più bassi

L’effetto dell’aumento dei prezzi dei materiali delle batterie è differenziato tra le varie chimiche, con un aumento più marcato per le batterie LFP. Tuttavia, nonostante l’aumento dei prezzi, le batterie LFP rimangono meno costose delle NCA e NMC per unità di capacità energetica.

I prezzi delle batterie variano anche tra le regioni, con la Cina che ha i prezzi più bassi in media. La Cina è il principale produttore di celle batteriche e catodi, il che contribuisce alla disparità di prezzo a livello globale. La continua diminuzione dei costi di produzione dei pacchi batteria è prevista per il futuro, secondo Bloomberg New Energy Finance (BNEF), con una previsione di una riduzione del 20% nei costi di produzione dei pacchi entro il 2025.

Concludendo, la domanda di batterie per veicoli elettrici è in costante aumento, trainata dalla crescita delle vendite di auto elettriche.

Il settore resta comunque in balia dei cambiamenti nelle preferenze di chimiche delle batterie, prezzi dei materiali critici e sviluppi tecnologici. Le batterie LFP stanno guadagnando popolarità, ma le alternative come le batterie Na-ion stanno emergendo come opzioni più economiche e sostenibili.

Applicazioni delle batterie metallo-aria basate su grafene

Le batterie metallo-aria flessibili offrono vantaggi in settori come:

1. Batterie metallo-aria multivalenti flessibili: L’utilizzo del grafene negli elettrodi ha migliorato le prestazioni delle batterie multivalenti a metallo, come alluminio e zinco, con eccellente flessibilità e stabilità ciclica.
2. 2. Batterie litio-aria flessibili basate su Grafene: L’uso di carta di ossido di grafene (GO) flessibile ha migliorato l’efficienza delle batterie litio-aria, consentendo una maggiore permeabilità dell’ossigeno e mantenendo una buona capacità di scarica e carica.
3. Batterie metallo-aria con Grafene: L’attenzione si è concentrata sulle batterie metallo-aria, come quelle a zinco e litio, per la loro elevata densità energetica. La ricerca mira a sviluppare elettrodi flessibili per garantire flessibilità e permeabilità all’aria.

Performance e utilizzo

L’uso del grafene nelle batterie flessibili offre prestazioni elevate, stabilità ciclica e flessibilità. Le batterie multivalenti basate su grafene mostrano un’elevata efficienza anche a correnti elevate. Inoltre, il grafene può essere utilizzato direttamente come catodo autoportante grazie alla sua elevata conducibilità elettrica.

Sfide e sviluppi futuri

La diffusione del grafene nelle batterie metallo-aria apre la strada a soluzioni sostenibili e all’avanguardia in settori come la depurazione dell’acqua, la raccolta di sostanze in acqua e il trattamento di acque reflue industriali.

Ulteriori ricerche mireranno a ottimizzare le prestazioni, ridurre i costi e ampliare ulteriormente le applicazioni del grafene.

 

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Risorse e fonti:

*nanografi.com
*https://www.europarl.europa.eu/topics/it/article/20150603STO62104/grafene-il-materiale-che-cambiera-il-21deg-secolo
https://www.wired.it/article/grafene-materiale-futuro-cose-sapere-applicazioni/ https://www.rigeneriamoterritorio.it/batterie-al-grafene-prospettive-future-energia-sostenibile/
https://nanografi.com/blog/applications-of-graphene-in-metalair-batteries/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016823006269
*https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023/trends-in-batteries
https://www.repubblica.it/motori/2024/01/11/news/auto_elettrica_arrivano_le_batterie_al_grafene_a_prova_di_proiettile_che_non_si_incendiano_mai-421854603/
https://insideevs.it/news/528201/gac-aion-v-batteria-grafene/