Migliorare le Batterie al Litio: La Nuova Tecnologia al Grafene Vanta una Conducibilità Termica 10 Volte Superiore alle Soluzioni Attuali

Grafene e Batterie

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose scoperta è stata premiata con un Premio Nobel per la Chimica nel 2019.

Una di queste alternative sono le batterie che utilizzano il grafene.

Ciò è dovuto al fatto che il grafene è un “materiale meraviglioso”, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Questo gli conferisce proprietà elettriche straordinarie. Abbiamo spiegato di più sul grafene, così come su altri “materiali 2D” come il borofene e il goldene in “Materiali 2D, Come il Grafene, Aprono Nuove Frontiere nelle Scienze dei Materiali”.

Le proprietà elettriche non sono le uniche caratteristiche che rendono il grafene eccezionale. È anche notevole per la sua conducibilità termica, che gli permette di trasferire calore estremamente rapidamente.

Fonte: GMG

Questa proprietà termica potrebbe rivelarsi trasformativa per la tecnologia delle batterie e, paradossalmente, il grafene potrebbe aiutare a mantenere le batterie al litio la tecnologia di batteria dominante rispetto alle chimiche alternative, incluse le batterie a base di grafene.

Ciò potrebbe avvenire grazie a una scoperta di ricercatori dell’Università di Swansea (UK), in collaborazione con l’Università di Tecnologia di Wuhan e l’Università di Shenzhen (Cina). Hanno rivelato i loro risultati in un articolo scientifico pubblicato su Nature Chemical Engineering con il titolo “Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”.

Limiti del Grafene

Sul carta, il grafene è un materiale meraviglioso che dovrebbe rivoluzionare molte industrie, dalla produzione di batterie a tutto ciò che utilizza l’elettricità, inclusi computer e pannelli solari, e persino il cemento e nanorobot nella nostra circolazione sanguigna.

In pratica, il grafene soffre di alcune limitazioni:

• Produzione su larga scala: Il nastro Scotch applicato a un pezzo di grafite è stato sufficiente per scoprire il grafene. Ma sono necessari metodi molto più complessi come la Deposizione Chimica da Vapore (CVD) per la produzione di massa.
• Costi: la maggior parte dei metodi di produzione e delle applicazioni ai dispositivi esistenti sono per lo più su piccola scala o su misura, e i materiali 2D sono rimasti piuttosto costosi. Il prezzo effettivo può variare notevolmente a seconda della purezza, con ad esempio il grafene che varia tra $20-2.000/kg.

Naturalmente, i due problemi sono collegati, poiché è la piccola scala di produzione ad aumentare i costi. Finora, ha ostacolato gravemente l’adozione di massa del grafene, facendo sì che la maggior parte delle promesse di questo materiale rimanga ancora non mantenuta, nonostante la sua scoperta 20 anni fa nel 2004.

La capacità di produrre materiale a base di grafene in grandi volumi è fondamentale sia per ridurre i costi sia per consentire applicazioni su scala industriale.

Questo è un problema puramente di produzione e tecnologico, poiché il grafene è costituito da carbonio, un materiale abbondante e a basso costo. Quindi non soffre del problema dei materiali rari, come ad esempio i catalizzatori per la produzione di idrogeno che utilizzano metalli rari come platino o palladio.

In tal senso, il grafene ha il potenziale per rivoluzionare veramente i nostri sistemi energetici, senza incontrare limiti dovuti all’esaurimento delle risorse quando viene impiegato su larga scala.

Produzione di Chilometri di Grafene

Questo problema della produzione su larga scala è ciò che i ricercatori nell’articolo sopra citato affermano di aver parzialmente risolto.

La pubblicazione dei ricercatori “descrive il primo protocollo di successo per la fabbricazione di pellicole di grafene prive di difetti su scala commerciale”.

Il metodo spiegato nell’articolo scientifico può essere usato per creare pellicole di grafene in lunghezze che vanno da metri a chilometri.

Anche in un contesto di laboratorio non progettato per la produzione di massa, sono riusciti a creare una pellicola di grafene lunga 200 metri con uno spessore di 17 micrometri.

Questa pellicola è anche notevolmente resistente ed è stata dimostrata mantenere un’alta conduttività elettrica anche dopo essere stata piegata più di 100.000 volte.

Quindi si può ragionevolmente supporre che sarà possibile impiegarla nell’elettronica flessibile, nella produzione industriale e in altre applicazioni dove il grafene è usato per trasmettere correnti potenti.

Cosa Possono Fare le Pellicole di Grafene?

Le batterie al litio sono vulnerabili a un rischio chiave, chiamato surriscaldamento termico incontrollato (thermal runaway). Questo accade quando il calore eccessivo si accumula in una parte della batteria, spesso portando a guasti della batteria con incendi pericolosi o esplosioni.

Questo problema è una delle ragioni principali per cui molti ricercatori e aziende di batterie stanno cercando alternative al litio con chimiche alternative come lo ione-sodio. Molte soluzioni alternative sono in fase di esplorazione, ad esempio elettroliti gel.

Il surriscaldamento termico incontrollato avviene principalmente nei collettori di corrente della batteria, dove è concentrata la maggior parte della potenza. Nelle attuali batterie al litio, i collettori di corrente sono solitamente realizzati in alluminio o rame.

I collettori di corrente in grafene sviluppati dalla ricerca con la loro pellicola di grafene possono mostrare una conducibilità termica fino a 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Per riferimento, questo è quasi 10 volte superiore ai collettori di corrente basati su rame e alluminio.

Fonte: Nature Chemical Engineering

 Implicazioni per le Batterie al Litio

Poiché la pellicola di grafene mostra una dissipazione del calore molto rapida, elimina il rischio di concentrazione locale di calore quando la corrente scorre.

A sua volta, ciò rimuove i rischi delle reazioni aluminoterme e di evoluzione dell’idrogeno, che sono i passaggi critici che portano alla propagazione del guasto della batteria e al rischio di incendio.

“La nostra struttura di grafene densa e allineata fornisce una barriera robusta contro la formazione di gas infiammabili e impedisce all’ossigeno di permeare le celle della batteria, il che è cruciale per evitare guasti catastrofici,”

Dr Jinlong Yang, co-lead author

Forse più importante, il metodo è già dimostrato essere implementabile con la produzione di massa della pellicola di grafene. Quindi potrebbe essere rapidamente integrato nei processi di produzione delle batterie esistenti.

“Questo è un passo significativo in avanti per la tecnologia delle batterie. Il nostro metodo consente la produzione di collettori di corrente in grafene a una scala e qualità che possono essere facilmente integrati nella produzione commerciale di batterie. Questo non solo migliora la sicurezza delle batterie gestendo efficientemente il calore, ma aumenta anche la densità energetica e la longevità.”

Dr Rui Tan, co-lead author

Applicazioni Future delle Pellicole di Grafene

I ricercatori stanno già cercando modi per ridurre lo spessore delle pellicole di grafene e migliorare ulteriormente le loro proprietà meccaniche.

Stanno anche esaminando come la pellicola di grafene potrebbe aiutare a progettare migliori batterie a flusso e batterie a ioni di sodio, in collaborazione con un altro team di ricerca dell’Università di Swansea, sotto la leadership della Prof.ssa Serena Margodonna.

Abbiamo discusso in precedenza batterie al litio a nido d’ape che rimuovono il rischio di guasto della batteria dalla crescita dei dendriti. Se il surriscaldamento termico incontrollato può anche essere soppresso grazie alla pellicola di grafene, ciò potrebbe rendere le batterie al litio molto più sicure e durevoli rispetto alla versione attuale.

Fonte: Chemistry Europe

Questo complessivamente segue il modello della maggior parte delle innovazioni in una nicchia della tecnologia delle batterie per essere utilizzabili in altri progetti, contribuendo a alimentare il rapido progresso del settore.

(Puoi anche saperne di più sulla tecnologia delle batterie nei nostri articoli “Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie” e “Il Futuro dello Stoccaggio di Energia – Batterie su Scala di Utilità”.)

Investire nella Tecnologia delle Batterie

Le batterie al litio hanno già cambiato il mondo più volte, consentendo alle persone di portare ovunque elettronica avanzata e alimentando auto esclusivamente con elettricità.

Potrebbero farlo di nuovo, o altri tipi di batterie, consentendo una rete elettrica al 100% rinnovabile o l’elettrificazione degli aerei quando si raggiunge una densità energetica sufficientemente alta.

Puoi investire in aziende legate alle batterie tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere aziende specifiche di batterie, puoi anche considerare gli ETF sulle batterie come Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), il Lithium & Battery Tech ETF (LIT) di Global X, o il WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sul settore in crescita delle batterie.

Oppure puoi consultare i nostri articoli “Top 10 Azioni di Batterie in cui Investire” e “Top 10 Metalli per Batterie & Azioni Minerarie di Energia Rinnovabile”.

Aziende di Batterie

1. Veeco

Veeco è stato un importante fornitore di attrezzature per l’industria della produzione di semiconduttori sin dalla sua fondazione nel 1945. Le sue macchine sono utilizzate nella produzione di chip EUV avanzati, antenne 5G, hard disk, LIDAR, LED, elettronica di potenza per veicoli elettrici, ecc.

Fonte: Veeco

Il principale focus tecnologico dell’azienda è lo stesso processo CVD utilizzato per la produzione di borofene e parte del grafene, o più precisamente, MOCVD (Deposizione Chimica da Vapore Metal-Organica).

Fonte: Veeco

Come leader in questo segmento di nicchia dell’industria dei semiconduttori, Veeco potrebbe essere un buon candidato su cui scommettere per l’aumento delle applicazioni CVD.

Tale crescita potrebbe derivare dall’uso crescente di grafene, tungsteno e borofene, man mano che miglioriamo la capacità di manipolare la materia a livello atomico. Ciò include film sottili di grafene, ma anche potenziali semiconduttori di grafene, superconduttori, ecc.

Beneficerà anche probabilmente dalle enormi tendenze di digitalizzazione, IA e elettrificazione, indipendentemente dal fatto che utilizzi massivamente i materiali 2D o meno.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG è un produttore di grafene che ha focalizzato la sua offerta di prodotti su prodotti a base di grafene già dimostrati, come rivestimenti termici e lubrificanti.

Ciò rende GMG una buona opzione per gli investitori che cercano un’esposizione diretta al mercato del grafene e un’azienda già attiva nella produzione di massa di grafene e nel miglioramento del metodo di produzione attuale.

Fonte: GMG

Alcune ulteriori applicazioni potrebbero essere la creazione di semiconduttori di grafene (vedi “Semiconduttori di Grafene – Sono Finalmente Qui?”), o anche superconduttori a temperatura ambiente. Il rivestimento di grafene potrebbe trovare impiego anche nelle batterie e nelle tecnologie di contenitori a pressione di idrogeno.

Fonte: GMG

GMG produce il suo grafene da metano + idrogeno, differendo dalla maggior parte dei concorrenti, che lo producono da depositi naturali di grafite. Questo consente una maggiore purezza, più scalabilità e una produzione a basso costo.

L’azienda ha lanciato il suo primo impianto di produzione in Australia nel 2023, con una capacità fino a 1 milione di litri di produzione di rivestimenti per scambiatori di calore all’anno.

Il prossimo passo per l’azienda sarà la sua tecnologia di batteria basata su ioni di alluminio al grafene, con una densità di 290 Wh/kg, una ricarica 60 volte più veloce rispetto alle batterie al litio, una durata della batteria 3 volte maggiore e un profilo di rischio incendio migliore.

Fonte: GMG

Questo ingresso nel mercato delle batterie potrebbe essere una grande scommessa per GMG, ma le offre anche una prospettiva unica sul mercato futuro che potrebbe aprirsi per il grafene, inclusi i veicoli elettrici e altre applicazioni legate all’energia.