Mentre i nostri gadget in questi giorni diventano sempre più piccoli e potenti, lo sviluppo di batterie commerciali sufficientemente piccole e con una capacità sufficiente per soddisfare le loro esigenze affamate di energia non ha tenuto il passo.

La maggior parte delle persone avrà sentito parlare delle batterie agli ioni di litio (Li-ion). Sono presenti in quasi tutti i dispositivi elettronici mobili, dal telefono cellulare al laptop, fino agli alimentatori di riserva su jet e persino veicoli spaziali. Sorprendentemente però, nonostante questa enorme richiesta, il design fondamentale delle batterie agli ioni di litio è rimasto sostanzialmente simile negli ultimi anni.

La durata della batteria è spesso il fattore vincolante in molte applicazioni esistenti e sperimentali. È la chiave per il futuro di tecnologie come le auto elettriche, e per lo stoccaggio di energia ad alta capacità per le energie rinnovabili come l'energia eolica e solare. In effetti, i progressi relativamente lenti nello sviluppo di nuove batterie hanno portato molti produttori di elettronica a cercare di ridurre o mantenere i requisiti di alimentazione dei loro prodotti per trovare un equilibrio.

Il che non vuol dire che non ci siano ricerche su nuove tecniche di stoccaggio dell'energia. Anzi, tutt'altro. Gli ultimi decenni hanno visto un'esplosione di ricerca in questo settore. Non sorprende, buona parte di questo ruota attorno al miglioramento delle batterie agli ioni di litio. Anche il nuovo "materiale meraviglioso" grafene è stato suggerito come possibile chiave per la soluzione. Il grafene ha una serie di proprietà interessanti che hanno portato i ricercatori a suggerire di modificare i componenti delle batterie agli ioni di litio, o usando il grafene come mezzo di immagazzinamento dell'energia invece come soluzioni promettenti.

Basta aggiungere il grafene

Il grafene è stato utilizzato anche per sviluppare dispositivi elettronici con requisiti di potenza estremamente bassi. Ciò è possibile (in parte) perché il grafene puro ha la resistività più bassa di qualsiasi altro materiale noto a temperatura ambiente:i dispositivi realizzati in grafene puro possono condurre l'elettricità in modo più efficiente di qualsiasi altro materiale (a temperatura ambiente). Come conseguenza, viene sprecata pochissima energia.

I dispositivi costruiti con grafene non avrebbero gli stessi problemi di riscaldamento affrontati dall'elettronica attuale:potrebbero funzionare indefinitamente con un aumento minimo della temperatura. Il calore fa male all'elettronica; significa che l'energia viene sprecata e spesso serve a ridurre ulteriormente l'efficienza del dispositivo mentre si riscalda. Il grafene puro elimina virtualmente le perdite di energia di questo tipo, che rende i dispositivi prodotti da esso estremamente efficienti dal punto di vista energetico. Per l'elettronica di consumo, questo potrebbe significare dispositivi significativamente più potenti con una durata della batteria notevolmente migliorata:uno scenario vantaggioso per tutti, se mai ce ne fosse uno.

Cosa c'è di più, gli studi indicano che l'uso del grafene per sostituire o migliorare i componenti delle batterie agli ioni di litio può migliorare significativamente la densità energetica e la longevità della batteria. Una tecnica popolare è stata quella di realizzare gli anodi oi catodi delle batterie agli ioni di litio in grafene.

La tua prossima batteria potrebbe essere un supercondensatore

Un'altra tecnica consiste nell'utilizzare il grafene come mezzo di immagazzinamento dell'energia stesso. Questo è stato utilizzato per costruire supercondensatori - forse il futuro più forte concorrente delle batterie agli ioni di litio in usi che richiedono tempi di ricarica molto rapidi, come nel caso delle auto elettriche.

Questa è probabilmente la loro caratteristica critica. Un supercondensatore può passare da completamente scarico a completamente carico molti ordini di grandezza più velocemente rispetto alle batterie agli ioni di litio comparabili. In tale contesto, è l'ampia superficie del grafene che è importante, perché la quantità di carica che può essere immagazzinata è correlata alla superficie dei materiali di cui è composta. Quindi di nuovo, il grafene è l'ideale.

Nonostante il potenziale dei supercondensatori di sfidare l'onnipresente batteria agli ioni di litio, gli attuali supercondensatori sono invariabilmente troppo grandi e troppo costosi per sostituirli negli stessi ruoli. Però, i prototipi indicano che i superconduttori potrebbero soddisfare i requisiti necessari per sostituire le batterie convenzionali in un futuro non troppo lontano.

In definitiva, la sfida con uno qualsiasi di questi prototipi è la capacità di scalare la produzione per soddisfare le esigenze dell'industria dell'elettronica di consumo. Le soluzioni a base di grafene sono state finora notoriamente difficili da produrre su larga scala, grazie in parte alla difficoltà di isolare il grafene di alta qualità. Tuttavia, il futuro per lo stoccaggio di energia e la tecnologia ad alta efficienza energetica sembra luminoso. Che il grafene alla fine abbia un ruolo nella rivoluzione o meno, è chiaro che la ricerca su queste tecnologie porterà alla fine all'introduzione di prodotti più economici e più durevoli con una capacità maggiore.

Non è un eufemismo dire che una rivoluzione energetica attende grazie ai dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione, che potrebbe aiutare a inaugurare l'era dei veicoli completamente elettrici, generazione di energia rinnovabile su larga scala e la fine della nostra dipendenza dai combustibili fossili.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).