Se le batterie al grafene fanno tutto quello che gli scienziati dicono, potrebbero essere un Gamechanger

Immagina di essere in viaggio sulla tua nuova auto elettrica, equipaggiata con l’ultima batteria al grafene. Ti accorgi che sei a corto di energia, così accosti in un’area di sosta, la colleghi e ti dirigi all’interno per prendere una pizza.

Quando hai finito e sei di nuovo fuori, la tua auto è già quasi carica – e pronta per altre 300 miglia ininterrotte.

Questo è il futuro del trasporto che alcuni scienziati dagli occhi stellati promettono che arriverà presto. Dicono che potenziando le batterie con il grafene – un foglio di carbonio spesso appena un atomo – tutto, dagli utensili elettrici alle auto elettriche, si caricherà più velocemente, avrà più potenza, costerà meno e forse aiuterà anche la civiltà ad allontanarsi finalmente dai combustibili fossili che distruggono il pianeta. E queste meravigliose batterie potrebbero iniziare a diffondersi, dicono, entro il prossimo anno.

“Il grafene è un materiale sorprendente, ed è particolarmente sorprendente come materiale per le batterie”, ha detto a Futurism Chip Breitenkamp, uno scienziato dei polimeri e VP dello sviluppo aziendale presso la società di batterie al grafene NanoGraf. La tecnologia, ha detto, può “far caricare le batterie più velocemente e dissipare il calore in modo più efficace. Questo ha grandi implicazioni. Significa che gli utensili elettrici non si surriscaldano così rapidamente. Significa che gli elettrodomestici servono meglio le famiglie, più a lungo. E alla fine significa che può caricare più velocemente.”

“Essenzialmente, il grafene può giocare un ruolo centrale nell’alimentazione di un futuro sostenibile ed elettrico”, ha aggiunto Breitenkamp.

La ricarica rapida non è l’unico punto di vendita. In laboratorio, NanoGraf dice che le sue batterie al grafene mostrano un aumento del 50 per cento del tempo di esecuzione rispetto a quelle convenzionali agli ioni di litio, un calo del 25 per cento dell’impronta di carbonio e la metà del peso necessario per fornire la stessa uscita.

L’idea di base si riduce alla chimica. Nel corso di decenni, i produttori di batterie sono arrivati ad abbracciare il litio rispetto al silicio perché ha un’alta capacità elettrica. Ma il litio ha due problemi chiave. Conduce male l’elettricità e tende a deformarsi fisicamente quando si scarica, finendo per tranciare e rompersi. Mescolando o rivestendo il litio con il grafene – o, più recentemente, con nanomateriali correlati come gli ossidi di grafene e gli ossidi di grafene ridotti – si risolvono entrambi i problemi. Il grafene è altamente conduttivo, permettendo all’elettricità di fluire, e rigido, quindi aiuta il litio a mantenere la sua forma, permettendo alla batteria di durare più a lungo.

“Il grafene ha una conducibilità elettronica molto alta, quindi quando lo metti nell’anodo di silicio, la conducibilità sale davvero,” Christos Athanasiou, un ingegnere della Brown University che ha pubblicato ricerche sulle batterie al grafene, ha detto a Futurism. “E il grafene ha davvero buone proprietà meccaniche – è davvero, davvero forte. Così, quando hai l’anodo che si espande, il grafene essenzialmente ostacola queste variazioni di volume, quindi non permette all’anodo di silicio di espandersi così tanto da non rompersi.”

Un altro vantaggio: poiché la robustezza del grafene garantisce alle batterie così tanti cicli di vita in più di una batteria convenzionale, i sostenitori dicono, possono “spingerle” più forte e caricarle più velocemente con una corrente elettrica più potente. Si degradano più rapidamente, ma la loro abbondanza di cicli di scarica garantisce ancora una vita più lunga rispetto alle batterie convenzionali.

Nanograf non è l’unica startup che dice di essere alla ricerca di una batteria al grafene pratica. Samuel Gong, il CEO del concorrente Real Graphene, ha detto a Futurism che crede che la tecnologia della sua azienda potrebbe caricare un’auto in molto meno di un’ora.

“Abbiamo anche un budget più grande di cicli di vita che possiamo sacrificare perché la gente di solito non tiene i loro prodotti più di qualche anno, molto probabilmente”, ha detto Gong. “Una batteria al grafene può sopportare molte più punizioni in un certo senso, il che consente quel ciclo di vita extra. Il risultato, dice, è una batteria economica con densità di energia e prestazioni notevolmente aumentate.

“Credo che sia altrettanto importante per l’evoluzione della tecnologia rispetto a qualcosa come la plastica”, ha detto Gong, “dove in futuro potrebbe essere applicato a quasi tutto.”

Le promesse sono enormi, ma allo stesso tempo, le richieste specifiche possono iniziare a sembrare confuse. Nanograf dice che sta già lavorando con una società di utensili elettrici e una società che produce batterie per veicoli elettrici per portare la sua tecnologia sul mercato, ma ha detto che non poteva nominare partner specifici.

E Gong ci ha detto che Real Graphene sta già pilotando degli autobus alimentati da batterie al grafene a Shanghai, in Cina – ma quando abbiamo chiesto dettagli sul programma, come chi gestisce gli autobus e se le batterie sono all’altezza delle loro imponenti promesse tecniche, ha rifiutato di commentare. Perché questa grande spinta per metterlo in tutto ora?

“Negli ultimi 15-20 anni, fondamentalmente l’intera comunità di stoccaggio dell’energia ha fatto un sacco di lavoro su come fare un buon materiale nanocomposito, come rendere questo anodo di grafene di silicio avere le proprietà desiderate”, ha detto Athanasiou. “Così, recentemente negli ultimi anni, è diventato più facile fare il grafene, e ci sono altri nanomateriali basati sul grafene, come l’ossido di grafene.”

“Questi nanomateriali offrono proprietà ancora migliori”, ha aggiunto. “L’ossido di grafene si fonde meglio con il silicio, per esempio. E poi si è scoperto che quando si usa l’ossido di grafene ridotto, offre proprietà ancora migliori”

In altre parole, il grafene è stato in uno stato perpetuo di “quasi pronto a rivoluzionare il mondo” per anni. Ma con i costi di produzione che tendono al ribasso, più startup hanno detto a Futurism che le loro batterie saranno in vendita in piccoli dispositivi come utensili elettrici già dal prossimo anno. Dopo di che, hanno intenzione di diventare ancora più ambiziosi.

“Le batterie che vanno nei veicoli elettrici richiedono cicli di prova estremamente lunghi”, ha detto Breitenkamp di NanoGraf a Futurism. “Quindi, si può immaginare, quelle batterie devono essere testate per tre o quattro anni, come minimo. Non si tratta di far funzionare la nostra tecnologia in un EV adesso. Siamo pienamente convinti che funzionerebbe, ma è una questione di tutta la convalida necessaria per entrare in un EV.”

“Non è una questione di se funziona, è una questione di quanto tempo ci vuole prima di ottenere i pollici in su su su cose come la sicurezza e la longevità”, ha aggiunto Breitenkamp.

È possibile che le batterie al grafene stiano attirando interesse oltre la comunità delle startup. Infatti, diversi esperti intervistati per questa storia hanno ipotizzato che Tesla potrebbe sperimentare segretamente la stessa tecnologia – anche se tutti hanno sottolineato che la teoria è solo una congettura.

“Non ho dubbi che Tesla stia lavorando su questo tipo di tecnologia”, ha detto Gong, aggiungendo che costruire caricatori abbastanza potenti potrebbe essere una sfida più grande che fare batterie al grafene stesso.

“Probabilmente lo faranno, ma tutte queste cose sono super riservate”, ha detto Athanasiou. “

Tesla, che ha recentemente sciolto il suo intero dipartimento di pubbliche relazioni, non ha risposto alle domande di Futurism o alla richiesta di commento. Ma indipendentemente dal fatto che Tesla stia lavorando sulle batterie al grafene, ci sono numerose sfide tecniche che devono essere risolte prima che siano utili come prodotto di consumo.

Un problema pratico, ha detto Gong, sarebbe che se una grande casa automobilistica riuscisse a sviluppare batterie al grafene pronte per il mercato, l’enorme attrazione di ricarica correrebbe il rischio di travolgere completamente l’infrastruttura elettrica.

“La rete elettrica può a malapena gestire quello che abbiamo ora, almeno quando parliamo della Bay Area. È qualcosa che non posso davvero vedere accadere solo perché è solo così tanto potere”, ha detto Gong. “Non si tratta solo di costruire una centrale nucleare e dire che abbiamo l’energia. È anche la consegna dell’energia: se il cablaggio della città può anche gestire quell’aumento di potenza.”

Ci sono anche, tutti ammettono, ancora problemi tecnici che devono essere risolti. Uno, ha detto Breitenkamp, è che spingere le batterie troppo forte può causare problemi come lo scorrimento dendritico – essenzialmente un corto circuito interno. Ma più esperti hanno detto a Futurism che lo scorrimento dendritico può essere risolto con, indovinate un po’, più grafene.

Anche se l’inserimento di più grafene blocca lo scorrimento dendritico, però, ci sono problemi di produzione persistenti. Diverse aziende usano diversi trucchi per rivestire o implementare effettivamente le batterie in grafene, ma la coerenza è una sfida indipendentemente dalla metodologia.

Per farla breve, Athanasiou ha detto, gli scienziati possono fare prototipi davvero buoni in laboratorio – ma passare alla produzione di massa di prodotti finiti è una sfida completamente separata.

“Quello che posso dirvi è che la scienza è lì,” Athanasiou ha detto. “Tuttavia, dal punto di vista tecnologico, non è ancora pronta. Sappiamo come fare questi grafeni di silicio nanocomposti, ma come possiamo renderli riproducibili – questa è una grande sfida.”

E, naturalmente, c’è il clamore che sta spingendo il grafene in avanti e sostenendo l’interesse per esso dalla sua scoperta. È stato trasformato in giacche, propagandato come fonte di elettricità infinita, e anche come un modo per desalinizzare istantaneamente l’acqua.

Parte di questo è la necessità degli scienziati che hanno bisogno di tamburellare l’interesse per il loro lavoro, ha detto Greg Less, il direttore tecnico del Battery User Laboratory dell’University of Michigan Energy Institute. Ma ha anche detto che non è sicuro di quanto utili saranno le batterie al grafene. Il grafene non è la competenza specifica di Less, ha chiarito, ma ha il sospetto che possa svanire come un’altra moda.

Ha citato i nanotubi di carbonio – il “materiale miracoloso” di un tempo – come esempio. I nanotubi di carbonio sono fondamentalmente solo pezzi di grafene arrotolati in tubi, e molte affermazioni audaci sono state fatte su come avrebbe rivoluzionato anche la società.

” una specie di materiale gee-whiz in questo momento”, ha detto Less. “Ci saranno miglioramenti? Sì. Questi miglioramenti saranno sufficienti a sostituire un’opzione più economica e disponibile? Probabilmente no. Forse sì. Non lo so. Non lo so.”

In poche parole, il clamore che circonda il grafene oscura il suo futuro. Separare la reale utilità del nanomateriale da sforzi ben intenzionati che alla fine non saranno sufficienti è difficile. Ma abbiamo bisogno di ripulire il nostro atto ambientale in qualche modo, e se vogliamo evitare gli impatti più devastanti del cambiamento climatico, allora potremmo finire per avere bisogno di un’Ave Maria o due. Se anche solo una frazione di ciò che i sostenitori del grafene dicono essere possibile finirà per accadere, sarà davvero un’arma preziosa nella lotta contro i combustibili fossili.

“Siamo solo entusiasti di vedere l’elettrificazione diventare una realtà”, ha detto Breitenkamp del potenziale del grafene di rivoluzionare le auto elettriche. “Negli ultimi dieci anni, è sembrato un po’ nell’etere. Essere in grado di fare un’auto che è abbastanza accessibile da mettere nel garage di tutti sta per cambiare molte cose. Sposterà la narrativa sul cambiamento climatico e anche i posti di lavoro”.

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