I ricercatori di ingegneria del Rensselaer Polytechnic Institute hanno realizzato un foglio di carta con il materiale più sottile al mondo, grafene, e poi ha colpito la carta con un laser o un flash della fotocamera per macchiarla con innumerevoli crepe, pori, e altre imperfezioni. Il risultato è un materiale anodico di grafene che può essere caricato o scaricato 10 volte più velocemente rispetto agli anodi di grafite convenzionali utilizzati nelle odierne batterie agli ioni di litio (Li).

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono lo standard industriale per i telefoni cellulari, computer portatili e tablet, auto elettrica, e una serie di altri dispositivi. Mentre le batterie agli ioni di litio hanno un'elevata densità di energia e possono immagazzinare grandi quantità di energia, soffrono di una bassa densità di potenza e non sono in grado di accettare o scaricare rapidamente energia. Questa bassa densità di potenza è il motivo per cui ci vuole circa un'ora per caricare la batteria del telefono cellulare o del laptop, e perché i motori delle automobili elettriche non possono fare affidamento solo sulle batterie e richiedono un supercondensatore per funzioni ad alta potenza come l'accelerazione e la frenata.

Il gruppo di ricerca Rensselaer, guidato dall'esperto di nanomateriali Nikhil Koratkar, ha cercato di risolvere questo problema e creare una nuova batteria che potesse contenere grandi quantità di energia ma anche accettare e rilasciare rapidamente questa energia. Una tale innovazione potrebbe alleviare la necessità del complesso abbinamento di batterie agli ioni di litio e supercondensatori nelle auto elettriche, e portare a più semplice, motori automobilistici più performanti basati esclusivamente su alta energia, batterie agli ioni di litio ad alta potenza. Koratkar e il suo team sono fiduciosi nella loro nuova batteria, creato da difetti intenzionalmente ingegnerizzati nel grafene, è un trampolino di lancio fondamentale sul percorso verso la realizzazione di questo grande obiettivo. Tali batterie potrebbero anche ridurre significativamente il tempo necessario per caricare i dispositivi elettronici portatili da telefoni e laptop a dispositivi medici utilizzati da paramedici e primi soccorritori.

“La tecnologia delle batterie agli ioni di litio è magnifica, ma veramente ostacolato dalla sua densità di potenza limitata e dalla sua incapacità di accettare o scaricare rapidamente grandi quantità di energia. Utilizzando la nostra carta al grafene progettata per difetti nell'architettura della batteria, Penso che possiamo aiutare a superare questo limite, disse Koratkar, il professore di ingegneria John A. Clark e Edward T. Crossan a Rensselaer. “Crediamo che questa scoperta sia matura per la commercializzazione, e può avere un impatto significativo sullo sviluppo di nuove batterie e sistemi elettrici per automobili elettriche e applicazioni di elettronica portatile." I risultati dello studio sono stati pubblicati questa settimana dalla rivista ACS Nano nel documento "Grafene fototermicamente ridotto come anodi ad alta potenza per batterie agli ioni di litio".

Koratkar e il suo team hanno iniziato a studiare il grafene come possibile sostituto della grafite utilizzata come materiale anodico nelle odierne batterie agli ioni di litio. Essenzialmente un singolo strato della grafite che si trova comunemente nelle nostre matite o il carboncino che bruciamo sui nostri barbecue, il grafene è un foglio dello spessore di un atomo di atomi di carbonio disposti come un recinto di rete metallica su nanoscala. Negli studi precedenti, Le batterie agli ioni di litio con anodi di grafite hanno mostrato una buona densità di energia ma una bassa densità di potenza, il che significa che non potevano caricarsi o scaricarsi rapidamente. Questa carica e scarica lenta era dovuta al fatto che gli ioni di litio potevano entrare o uscire fisicamente solo dall'anodo di grafite della batteria dai bordi, e lentamente si fanno strada attraverso la lunghezza dei singoli strati di grafene.

La soluzione di Koratkar è stata quella di utilizzare una tecnica nota per creare un grande foglio di carta all'ossido di grafene. Questa carta ha lo spessore di un pezzo di carta per stampanti di tutti i giorni, e può essere realizzato praticamente di qualsiasi dimensione o forma. Il team di ricerca ha quindi esposto parte della carta all'ossido di grafene a un laser, e altri campioni della carta sono stati esposti a un semplice flash di una fotocamera digitale. In entrambi i casi, il calore del laser o del flash ha letteralmente causato mini-esplosioni in tutta la carta, poiché gli atomi di ossigeno nell'ossido di grafene venivano espulsi violentemente dalla struttura. Le conseguenze di questo esodo di ossigeno furono fogli di grafene butterati da innumerevoli crepe, pori, vuoti, e altri difetti. La pressione creata dall'ossigeno che fuoriesce ha anche spinto la carta di grafene ad espandere di cinque volte lo spessore, creando grandi vuoti tra i singoli fogli di grafene.

I ricercatori hanno rapidamente appreso che questa carta danneggiata al grafene si è comportata notevolmente bene come anodo per una batteria agli ioni di litio. Mentre prima gli ioni di litio attraversavano lentamente l'intera lunghezza dei fogli di grafene per caricarsi o scaricarsi, gli ioni ora usavano le crepe e i pori come scorciatoie per entrare o uscire rapidamente dal grafene, aumentando notevolmente la densità di potenza complessiva della batteria. Il team di Koratkar ha dimostrato come il loro materiale anodico sperimentale potrebbe caricarsi o scaricarsi 10 volte più velocemente degli anodi convenzionali nelle batterie agli ioni di litio senza incorrere in una perdita significativa della sua densità di energia. Nonostante gli innumerevoli pori su microscala, crepe, e vuoti che sono onnipresenti in tutta la struttura, l'anodo in carta di grafene è notevolmente robusto, e ha continuato ad esibirsi con successo anche dopo più di 1, 000 cicli di carica/scarica. L'elevata conduttività elettrica dei fogli di grafene ha inoltre consentito un efficiente trasporto di elettroni nell'anodo, che è un'altra proprietà necessaria per le applicazioni ad alta potenza.

Koratkar ha affermato che il processo di produzione di questi nuovi anodi in carta di grafene per batterie agli ioni di litio può essere facilmente ampliato per soddisfare le esigenze dell'industria. La carta al grafene può essere prodotta essenzialmente in qualsiasi dimensione e forma, e l'esposizione fototermica mediante laser o flash della fotocamera è un processo facile ed economico da replicare. I ricercatori hanno presentato istanza di protezione brevettuale per la loro scoperta. Il prossimo passo per questo progetto di ricerca è accoppiare il materiale dell'anodo di grafene con un materiale del catodo ad alta potenza per costruire una batteria completa.