Grafene on the road

Con l'espansione della popolazione mondiale, la domanda di produzione e stoccaggio di energia aumenta costantemente. Il grafene e i materiali correlati, noti come Grm (Graphene Related Materials), possono giocare un ruolo chiave nel soddisfare questa domanda sia nella generazione che nell'accumulo di energia, in virtù di alcune loro proprietà tipiche: l'elevata area superficiale, l'alta conduttività elettrica derivante dall'elevata mobilità degli elettroni, la leggerezza, la stabilità chimica e l'elevata flessibilità meccanica. Celle solari, batterie, supercondensatori, stoccaggio di idrogeno e celle a combustibile sono tecnologie in cui il grafene può fare la differenza, sia integrato nei dispositivi attuali per aumentarne le prestazioni, sia utilizzato per produrre nuovi dispositivi completamente diversi dai precedenti.

Sfruttare i vantaggi del grafene nelle batterie per automobili è una delle sfide più impegnative che vede coinvolta la ricerca scientifica e l'industria in tutto il mondo, con investimenti e aspettative in crescita nel nostro continente e in Asia. L'Europa, consapevole dell'importanza strategica di questo settore, ha lanciato “Battery 2030”, iniziativa di ricerca su larga scala che punta a sviluppare la prossima generazione di materiali per le batterie, parte dell'investimento di 272 milioni di euro del piano European Battery Alliance. Secondo Kristina Edström, che coordina Battery 2030: "Le batterie del futuro hanno bisogno di materiali innovativi e più performanti; e quando parliamo di performances intendiamo non solo efficienza ma anche costi, sicurezza, durata, sostenibilità. Una sfida enorme che comprende l'intera catena del valore di un materiale. Se ragioniamo sul futuro delle batterie, il grafene ha un ruolo importante per ottenere batterie più sostenibili".

A scommettere sul grafene per l'innovazione sostenibile nel settore automobilistico è anche Graphene Flagship, la più grande iniziativa di ricerca europea dedicata a traghettare il grafene dai laboratori alle applicazioni. "In Europa le autovetture rappresentano il 60% delle emissioni di CO2 del trasporto su strada", spiega Kari Hjelt, che guida l'unità Innovation della Flagship. "Con l'Unione Europea che fissa obiettivi rigorosi per limitare le emissioni, è imperativo ridurre l'impatto ambientale delle autovetture. Ci sono due modi per farlo: rendere le auto più efficienti, ad esempio riducendo il loro peso, e passare a veicoli elettrici alimentati da fonti rinnovabili".

Il primo obiettivo è realizzabile usando materiali leggeri per le strutture dei veicoli, ad esempio compositi di fibre resistenti e leggere realizzate con fogli di grafene spessi solo pochi miliardesimi di metro. Come nel progetto G+Board, finanziato dalla Ue e guidato da Fiat-Chrysler (ora Stellantis), che punta a produrre un cruscotto automobilistico integrato leggero e privo di rame. "L’industria automobilistica è caratterizzata da grandi volumi ed estrema velocità di produzione", commenta Vincenzo Palermo, direttore dell'Istituto per la sintesi organica e fotoreattivotà (Isof) del Cnr e precedente vice-direttore di Graphene Flagship. "Lo scopo del progetto G+Board è fare con un unico materiale a base di grafene quello che si fa ora combinando plastica e metalli. Questo permetterebbe di diminuire il numero di processi in catena di montaggio, di ridurre il peso e il costo finale del componente. Inoltre, l’utilizzo di un solo materiale al posto di plastica e metallo potrebbe semplificare anche lo smaltimento e riciclo del veicolo a fine vita”.

La diffusione dell’automobile elettrica è oggi limitata da due fattori principali: la durata delle batterie e il loro costo, e la ricerca accademica e industriale esplora diverse soluzioni tecnologiche. Le batterie più utilizzate nelle auto elettriche sono quelle agli ioni di litio, che funzionano trasferendo litio caricato positivamente tra i due elettrodi. Gli scienziati della Graphene Flagship insieme ai partner industriali Varta - il più grande produttore di batterie in Europa - l'italiana BeDimensional e Bmw, stanno sviluppando una batteria avanzata agli ioni di litio basata su un innovativo anodo realizzato con un materiale composito silicio-grafene. La presenza del grafene permette al silicio di funzionare più a lungo, mantenendo nel tempo la capacità di carica della batteria. È questo il progetto strategico GrEEnBat che nel giro di pochi anni punta a realizzare un prototipo di batteria per auto composto da 60-90 celle in grado di sostenere una durata di 1.000 cicli: un'autonomia totale di 450.000 km, competitiva con le più moderne batterie al litio previste nel 2025.

Molte critiche all’uso di auto elettriche riguardano la futura disponibilità dei materiali necessari alla loro fabbricazione, primo fra tutti il litio. Una possibile soluzione sarebbe rimpiazzarlo con il sodio, componente del comune sale e molto abbondante. Il sodio, tuttavia, non può essere usato con i normali elettrodi a base di grafite; al contrario, è possibile modificare grafene per catturare e condensare ioni sodio. In un recente studio guidato dal Cnr e dall’Università di Chalmers, i ricercatori hanno aggiunto ai fogli di grafene una serie di molecole che funzionano come "distanziatori", aumentando la spaziatura tra gli strati di grafene per consentire l'ingresso degli ioni di sodio, più grandi di quelli di litio. "In tal modo il grafene può sostituire la grafite, che sarebbe troppo compatta per consentire l'ingresso di ioni sodio. Questo grafene modificato è ancora lontano da applicazioni reali, ma i risultati dimostrano che possiamo ‘ingegnerizzare’ i fogli di grafene con una versatilità sconosciuta ad altri materiali, creando uno spazio accogliente per conservare ioni e, quindi, energia”, spiega il ricercatore del Cnr-Isof, tra gli autori dello studio.

Restano una serie di ostacoli da superare per raggiungere un impiego estensivo di grafene, come ad esempio i costi elevati rispetto alla grafite già usata nelle batterie. Vi è poi bisogno di maggiore riproducibilità: attualmente la grande differenza tra diverse produzioni di grafene rende problematico determinare le prestazioni delle batterie. Nonostante questo, il grafene rimane una delle opzioni future più promettenti e integrabile in svariate tecnologie di batterie. Anche se la forma che assumeranno le batterie del futuro non è ancora definita, potrebbero essere a base di litio, di sodio, a stato solido o altro, ma sembra indubitabile che il grafene ne farà parte.

Fonte: Vincenzo Palermo, Istituto per la sintesi organica e fotoreattività del Cnr, e-mail: vincenzo.palermo@isof.cnr.it