Elettrodi in grafene nanostrutturato per migliorare i sistemi di accumulo energetico

L'utilizzo di elettrodi di grafene potrebbe portare alla realizzazione di nuovi dispositivi per lo stoccaggio energetico idonei per veicoli elettrici, fonti rinnovabili e applicazioni smart grid.

In un recente articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Nano Letters, i ricercatori di due aziende statunitensi Nanotek Instruments e Angstron Materials hanno proposto una nuova soluzione tecnologica in grado di combinare i vantaggi delle batterie elettrochimiche con quelli dei condensatori a doppio strato (supercapacitori), in modo da ottenere sistemi di accumulo energetico con alta potenza abbinata ad alta densità di energia.

Tutti gli scenari di possibile sviluppo della mobilità sostenibile e dell’approvvigionamento energetico, sono strettamente in relazione con la costruzione di idonei dispositivi di immagazzinamento dell'energia. Attualmente, i dispositivi più promettenti sono i supercondensatori e le batterie al litio.

Entrambe le soluzioni presentano alcuni svantaggi: mentre le batterie al litio offrono elevata densità di energia con bassa densità di potenza, i supercondensatori, al contrario, possono fornire alta densità di potenza, ma con bassa densità di energia. I supercondensatori, a differenza dei condensatori convenzionali, non si basano sull’impiego di un materiale dielettrico. L’elettrolita del condensatore, per l'effetto elettrico “doppio strato”, porta ad un’effettiva separazione di carica, anche se la separazione fisica degli strati è impercettibile. In generale, i supercondensatori offrono vantaggi quali ad alta densità di potenza, lunga durata di vita, semplici circuiti di ricarica, elevato grado di sicurezza e bassi costi. Tuttavia, essi presentano anche alcuni svantaggi, quali una bassa quantità di energia immagazzinata per unità di peso, un’alta autoscarica e una bassa tensione massima raggiungibile. Le batterie agli ioni di litio, d’altra parte, possono essere generalmente descritte dai loro tre componenti principali funzionali, e cioè l'anodo, il catodo e l'elettrolita. L'elettrolita, non acquoso, è comunemente costituito da una miscela di carbonati organici e contiene ioni di litio. Il catodo è basato su un ossido di metallo e il materiale più comune per l'anodo è la grafite. Queste batterie presentano la diffusione di ioni di litio tra l'anodo e il catodo, con la possibilità di questi ioni a migrare da o verso l'anodo e il catodo. Tuttavia, la bassa diffusione solido-superficie limita la massima densità di potenza. Ad oggi è presente una forte attività di ricerca per il miglioramento di ciascuno di questi singoli dispositivi, ma si stanno indagando anche nuovi approcci al problema.

Recentemente le attività di ricerca si sono concentrate su come applicare le nanotecnologie al fine di aumentare la densità di potenza caratteristiche delle batterie litio-ioni. Nella ricerca presentata da Nanotek Instruments e Angstron Materials, i ricercatori hanno scelto un approccio nuovo, utilizzando grafene nanostrutturato come materiale degli elettrodi. Nei dispositivi prototipali realizzati nel corso della ricerca, il grafene poroso nanostrutturato è collegato sia all’anodo che al catodo, in due blocchi distinti separati da una membrana porosa, ed è immerso nell’elettrolita. Il flusso di corrente è basato sullo scambio di litio tra la superficie dei due elettrodi in grafene nanostrutturato. Le due superficie in grafene possono catturare gli ioni di litio rapidamente e reversibilmente, attraverso meccanismi di adsorbimento di superficie e /o reazioni redox sempre di superficie. Gli autori della ricerca hanno effettuato gli esperimenti utilizzando diverse strutture in grafene. Lo studio è ancora in una fase preliminare, ma risultati sono stati così promettenti da rendere possibile l’ipotesi di una prossima realizzazione di sistemi in grado di raggiungere densità energetiche di 160 Wh/kg per unità di cella. Questo valore è oltre 30 volte superiore a quello raggiungibile con i supercapacitori convenzionali, ed è comparabile con quello delle batterie agli ioni di litio. In più, questi sistemi possono raggiungere densità di potenza di 100 kW/kg per unità di cella, 10 volte superiori a quelle dei tradizionali supercondensatori e addirittura 100 volte maggiori delle batterie agli ioni di litio.