Accumulatori e batterie al grafene: storia dell'invenzione, prospettive di applicazione e produzione fai-da-te

Anche una persona debolmente connessa con la tecnologia sa che qualsiasi sistema autonomo che utilizzi l'elettricità non può fare a meno di fonti di elettricità indipendenti. Che si tratti di un mezzo di comunicazione mobile o di veicoli, devono essere tutti dotati di batterie o accumulatori, il cui svantaggio è una piccola capacità e una breve durata. Con l'avvento delle batterie al grafene, questo inconveniente sarà eliminato.

Storia della scoperta

Gli scienziati sono alla ricerca di nuovi materiali per l'accumulo di energia elettrica da molto tempo. I componenti delle batterie e degli accumulatori utilizzati finora non soddisfacevano i requisiti moderni per l'ingegneria elettrica. Ciò era particolarmente vero per le batterie e gli accumulatori, le cui scarse caratteristiche tecniche hanno ostacolato lo sviluppo di nuovi veicoli economici ed ecologici.

La ricerca è stata coronata da successo nel 2004, quando due scienziati britannici, immigrati dalla Russia, Konstantin Novosyolov e Andrey Geim, hanno ricevuto in laboratorio un nuovo materiale con le proprietà desiderate a base di carbonio - grafene. Per la creazione di un film di carbonio dello spessore di un atomo su un substrato di ossido di silicio con elevate caratteristiche di conservazione, gli scienziati hanno ricevuto il Premio Nobel nel 2010.

Questo sviluppo è considerato il più promettente nel campo delle tecnologie di accumulo di energia, sebbene tecnicamente non abbia ancora ricevuto un uso diffuso.

Struttura del grafene

Il grafene è un tipo di grafite - una sostanza costituita da atomi di carbonio. Un cristallo di grafite è composto da strati che assomigliano a fogli di carta piegati in una pila. L'interazione atomica tra gli strati è più debole che nel mezzo, motivo per cui la grafite è così adatta come bacchetta.

Questa proprietà ha permesso di suddividerlo in strati separati e ottenere una nuova sostanza chiamata "grafene", che ha le stesse proprietà della grafite, ma molte volte più forte. Questo risultato è una svolta per lo sviluppo dell'elettronica, così come per la produzione di batterie e accumulatori, perché la grafite naturale ha un'eccellente conduttività termica ed elettrica. Ciò consentirà di sostituire con il grafene materiali costosi attualmente utilizzati nella produzione, poiché la grafite è abbondante in natura.

Il grafene ha una struttura cristallina estremamente semplice che riduce la resistenza al flusso di elettroni, quindi può accumulare carica molto più velocemente dei cristalli sfusi. E questa carica è molto più potente. Queste proprietà consentiranno di creare da esso batterie e accumulatori che hanno caratteristiche tecniche molto migliori di quelle attualmente utilizzate.

Disposizione di batterie e accumulatori

Il principio di funzionamento e la struttura delle batterie al grafene sono le stesse di quelle degli accumulatori convenzionali installati sulle auto con motore a combustione interna. La differenza sta nei processi elettrochimici che avvengono all'interno del dispositivo. Sono molto simili alla reazione in una batteria ai polimeri di litio.

Ora ci sono due direzioni tecnologiche in competizione per la produzione di batterie al grafene. Sono stati sviluppati negli Stati Uniti e in Russia:

• nel modello americano le sorgenti della reazione chimica sono costituite da cobalto di litio e da un catodo di lastre alternate di silicio e grafene;
• nella seconda versione - russa - è stata creata una batteria al magnesio-grafene, in cui il sale di litio utilizzato come anodo è stato sostituito con ossido di magnesio, che è più economico e meno tossico.

In entrambi i casi si ha un aumento della velocità di passaggio degli ioni tra gli elettrodi e la capacità batterie, perché il grafene ha un'elevata permeabilità elettrica e una tendenza all'accumulo carica elettrica. Solo le stime della capacità possibile differiscono. Gli esperti americani ritengono che aumenterà di dieci volte rispetto alle batterie agli ioni di litio e ai russi - fino a due volte e mezzo.

Vantaggi e sfide

Le batterie con cristalli di grafite piatti utilizzati al loro interno sono molto promettenti. Differiscono:

• meno peso;
• alta conduttività;
• grande forza e resistenza all'acqua;
• pulizia ecologica;
• aumento della capacità specifica;
• la capacità di regolare le loro qualità combinandole con altri materiali;
• facile rimovibilità del danno;
• basso prezzo delle materie prime.

Il problema principale con le batterie al grafene oggi è la loro dimensione. Risultano essere troppo grandi per l'installazione su dispositivi mobili. Questo problema non è stato ancora risolto.

A differenza dei gadget, nell'industria automobilistica, il grafene ha ottime prospettive Ora. L'installazione di batterie al grafene su un'auto elettrica ne triplica il chilometraggio tra due ricariche, fino a 1000 km. La ricarica richiede al massimo 10 minuti. Dotare questa stazione di servizio di stazioni di servizio non è un problema.

Altri sviluppi

Oltre che in Russia e negli Stati Uniti, anche altri paesi stanno attivamente lavorando per migliorare le batterie al grafene.

Scienziati in Australia hanno scoperto un modo per mantenere le lastre di grafene in uno stato stabile. Dopotutto, la loro instabilità, il desiderio di tornare allo stato tridimensionale inerente alla grafite ordinaria, era uno dei problemi principali di questo materiale. Per evitare ciò, gli scienziati hanno messo le piastre di grafene in un gel d'acqua per evitare che si attaccassero tra loro. Inoltre, una batteria di questo design può essere caricata in pochi secondi. Il costo del gel è basso, perché è composto solo da acqua e carbonio.

Nuove tecnologie compaiono quasi ogni anno nel mondoche consentono un uso più razionale delle risorse naturali in via di esaurimento. Questi includono l'invenzione del grafene, che nel prossimo futuro potrebbe causare cambiamenti rivoluzionari in sistema di trasporto grazie alle sue proprietà uniche in un grande volume per accumulare e immagazzinare materiale elettrico energia. È probabile che tutti saranno in grado di realizzare una batteria al grafene con le proprie mani utilizzando una stampante 3D.