Il grafene nelle batterie a ioni litio

Il grafene è un materiale costituito da un singolo strato atomico di carbonio ed ha eccellenti proprietà meccaniche, elettriche e ottiche. Esso ha enormi potenzialità per essere utilizzato nei campi della fisica, chimica, informatica, e nella produzione di dispositivi sempre più innovativi.

La domanda crescente di articoli ad alta tecnologia ha indotto le maggiori case produttrici ad investire nella ricerca. Essa è quotidianamente aggiornata da scoperte rivoluzionarie che contribuiscono alla realizzazione di prodotti innovativi e performanti.

Uno dei principali settori della ricerca è lo studio di nuove fonti di energia e di dispositivi atti a immagazzinarla.

Finora le batterie a ioni di litio hanno costituto un prodotto innovativo con molteplici vantaggi rispetto alle batterie convenzionali tra cui:

• • leggerezza
  • elevata densità di carica
  • assenza dell’effetto memoria
  • autoscarica trascurabile
  • scarso impatto ambientale
  • massima potenza di spunto all’avviamento
  • ricarica rapida

Tali vantaggi hanno fatto sì che le batterie a ioni di litio soppiantassero quelle al nichel o al nichel-cadmio nei telefoni cellulari, nei computer portatili e in ogni altro dispositivo che necessita di batteria.

Nelle batterie a ioni litio gli ioni Li⁺ durante la fase di scarica si muovono dall’elettrodo negativo a quello positivo. Nel  processo inverso invece si verifica durante la fase di carica. Il catodo è comunemente costituito da composti del litio come LiCoO₂,LiMn₂O₄ e LiFePO₄, Li₃V₂(PO₄)₃ . L’anodo invece  è fatto di grafite, ossidi di stagno e ossidi di metalli di transizione.

Tali materiali presentano comunque degli inconvenienti che ne limitano l’uso. Ad esempio i materiali contenenti carbonio hanno una bassa carica iniziale, quelli a base di ossidi di stagno presentano una perdita di capacità ovvero di durata.

Grafene e nuovi materiali

Una delle soluzioni a tali problemi consiste nello sviluppare nuovi materiali che possano costituire nuovi elettrodi nelle batterie a ioni di litio.

Lo studio si è pertanto rivolto al grafene scoperto nel 2004 da Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov,che mostra stabilità chimica e alta conduttività elettrica. Il grafene è una forma allotropica del carbonio il cui spessore corrisponde a quello di un atomo dove il carbonio è ibridato sp². Il grafene è l’elemento strutturale di base di alcune forme allotropiche del carbonio tra cui grafite, nanotubi di carbonio e fullerene. Questo materiale bidimensionale che ha un’area superficiale specifica di 2600 m²/g con la sua struttura a nido d’ape può aumentare la capacità di stoccaggio del litio. Inoltre la sua alta mobilità elettronica, la eccezionale conduttività termica, le eccellenti proprietà meccaniche, unitamente alla stabilità chimica rendono il grafene una sostanza ideale per materiali compositi per gli elettrodi che permettono un maggiore immagazzinamento di ioni litio e quindi una vita maggiore.

Nelle batterie tradizionali a ioni litio il materiale maggiormente usato quale catodo è LiMn₂O₄ per il suo basso costo e per la sua compatibilità ambientale sebbene abbia una bassa conduttività elettrica. Recenti pubblicazioni hanno dimostrato che fogli di grafene ne aumentano la conduttività. Il miglioramento delle proprietà elettrochimiche è attribuito alla maggiore velocità di diffusione dello ione litio.

Il grafene che fornisce nuove possibilità nel campo delle batterie a ioni litio per il suo basso peso, l’elevata conduttività elettrica, l’incredibile flessibilità e stabilità chimica può essere usato anche nell’anodo. L’aggiunta di grafene ai materiali usati come anodo conferisce una maggiore conduttività elettrica, alta area superficiale, elevato rapporto superficie-volume, spessore ultrasottile che diminuisce la distanza di diffusione degli ioni e flessibilità della struttura che apre la strada alla costruzione di elettrodi flessibili con stabilità termica e elettrica che garantisce una maggior durata della batteria.