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Supercondensatori al grafene e il futuro delle auto elettriche

In  mondo proiettato sempre più verso l'elettrificazione dei trasporti, ad oggi comunque non è ancora stata trovata una soluzione per accumulare l'energia in grado di competere con gli attuali sistemi basati sui combustibili fossili. Il grafene può rappresentare un punto di svolta?

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Supercondensatori al grafene e il futuro delle auto elettriche

I vantaggi delle auto elettriche sono convincenti: il loro utilizzo non inquina e sono più silenziose ed economiche rispetto alle auto con motore a combustione interna. Inoltre, utilizzano una forma di energia che può essere generata da un'ampia varietà di fonti e per la quale esiste una consolidata infrastruttura di distribuzione che soddisfa le esigenze della maggior parte del pianeta.

Attualmente ci stiamo occupando di quasi tutti i fattori che possono limitare l'abbandono dei motori a combustione interna; le pompe azionate dal motore necessarie per i sistemi a servosterzo, ad esempio, non sono più necessarie grazie allo sviluppo dell'assistenza elettrica allo sterzo.

Rimane però un grande problema. Non è stato ancora sviluppato un sistema per accumulare l'energia elettrica che garantisca la possibilità di percorrere i lunghi tragitti (tra le stazioni di ricarica dell'attuale rete scarsamente sviluppata) e che, al contempo, soddisfi le aspettative dei conducenti, basate sulla loro esperienza con le auto diesel o benzina e con le rispettive stazioni di rifornimento. È necessario individuare un modo semplice e rapido per ricaricare le batterie, che non comprometta la comodità e i vantaggi dei conducenti offerti dai veicoli tradizionali alimentati per mezzo di motori a combustione interna. Ad oggi le auto elettriche funzionano bene in città, ma nelle aree extraurbane la loro diffusione è ridotta.

Supercondensatori al grafene e il futuro delle auto elettriche

Il problema delle batterie
Nonostante l'innovazione e i miglioramenti tecnologici siano molto veloci, le batterie non hanno una densità energetica particolarmente elevata (misurazione della quantità di energia accumulata per unità di massa) e la ricarica è piuttosto lenta. Il loro utilizzo come fonte energetica non trae vantaggio dal fatto che il carburante fossile abbia una densità energetica elevata, né tantomeno dalle reti globali delle stazioni di servizio che risalgono a più di un secolo fa e che rendono il rifornimento di benzina, diesel o gas semplice e veloce.

Se superiamo i limiti relativi a capacità e ricarica, i veicoli elettrici diventano l'evidente risposta ai numerosi problemi di trasporto, dall'inquinamento al rumore, fino ai costi.

Ma le batterie non sono l'unico modo per accumulare l'elettricità. Esistono infatti i condensatori, che possono essere ricaricati molto più velocemente, rilasciando l'energia ad una velocità maggiore rispetto alle batterie; hanno tuttavia una densità energetica inferiore.

Vi sono anche i supercondensatori, che hanno le stesse proprietà di carica e rilascio dell'energia rapidi dei condensatori, ma una densità energetica maggiore. Nonostante ciò, per una determinata performance possiedono solamente il 7 percento circa della densità energetica delle batterie agli ioni di litio, misurata in watt ore per chilogrammo (Wh/kg), e questi chili sono importanti nei veicoli che devono utilizzare la potenza per spostare il proprio peso.

Ecco il grafene:
qui entra in gioco il grafene, scoperto dagli scienziati nel 2004. Il grafene è una forma di carbonio puro, che, insieme a grafite e diamanti, è composto da uno strato monoatomico. Si tratta di un materiale talmente nuovo che le tecniche di produzione in scala commerciale sono state sviluppate solamente di recente.

Il carbonio è uno degli elementi più comuni presenti in natura e qualsiasi forma di vita (almeno sulla terra) si basa su di esso. Ciò significa che il suo utilizzo è sostenibile e potenzialmente ecologico, a seconda del processo di produzione della forma con cui il carbonio è utilizzato.

Il grafene, a livello atomico, è legato strettamente. Ciò lo rende presumibilmente il materiale più resistente mai scoperto prima e la disposizione dei suoi atomi lo rende estremamente elastico. Si tratta inoltre del materiale più leggero in proporzione al volume, nonché il miglior conduttore elettrico. 

Se da un lato la fisica sembra incredibilmente complessa, la scienza è effettivamente molto semplice. La regolare struttura esagonale a nido d'ape degli atomi del grafene lo rende resistente ma elastico, mentre la struttura atomica piatta ed aperta fa sì che gli elettroni lo attraversino facilmente, e ciò ne spiega le proprietà di efficiente conduttore elettrico. Da questo punto di vista il grafene possiede un'efficienza paragonabile a quella dei superconduttori, anche se questi ultimi devono essere spesso raffreddati con acqua o altro materiale, mentre il grafene è efficace a temperatura ambiente.

La ricerca va portata avanti
Tutto ciò lascia pensare che, se sfruttate per gli elettrodi dei supercondensatori, le proprietà conduttive di questo materiale bi-dimensionale gli permetterebbero di potenziare in maniera notevole il carbonio attivato utilizzato nei condensatori. Il peso risulterebbe ridotto, migliorando così gli importanti valori Wh/kg e rendendo i supercondensatori in grado di essere caricati rapidamente e di accumulare grandi quantità di energia.

Ma tutto ciò non è semplice. 

Anche utilizzando il grafene, da solo o insieme ad un altro materiale, come ad esempio nanotubi di carbonio, ossia un'ulteriore forma di questo elemento con una struttura cilindrica, i supercondensatori non riescono in alcun modo a equiparare la densità energetica delle batterie agli ioni di litio, con uno scarto effettivo pari ai quattro quinti.

La ricerca sull'uso del grafene è ancora agli albori, anche se il gap è in procinto di essere chiuso. Già la densità energetica, ossia la capacità di fornire una grande quantità di energia in brevi impulsi, dei supercondensatori al grafene è in grado di competere con quella delle batterie agli ioni di litio.

Grandi speranze
Il beneficio  potenziale negli utilizzi automobilistici è sufficientemente ampio, ma oltre a ciò vi sono anche le applicazioni praticamente infinite delle batterie al grafene o dei supercondensatori al grafene nell'elettronica e nei dispositivi mobili. Un crescente numero di aziende, tra cui alcuni giganti multinazionali del calibro della sudcoreana Samsung, si stanno dedicando con grande impegno alle ricerche che a breve genereranno innovazione e sviluppo molto rapidi. I supercondensatori a base di grafene possono essere flessibili, aprendo così possibilità rivoluzionarie alla tecnologia indossabile. Inoltre, il grafene può essere utilizzato come componente delle batterie agli ioni di litio per migliorarne la resistenza al degrado ad ogni carica.

Un'opportunità entusiasmante per il futuro del trasporto è offerta dalla possibilità dei supercondensatori al grafene di assumere forme irregolari o complesse e di potere essere così inseriti all'interno di spazi dei veicoli altresì inutilizzabili. Oppure, data l'incredibile resistenza del materiale, potrebbero essere addirittura introdotti all'interno della struttura dei veicoli stessi.

I benefici potenziali sono tanti altri. Se i supercondensatori nelle automobili possono essere ricaricati velocemente con grandi quantità di elettricità, poi scaricati velocemente, un'ulteriore applicazione potrebbe essere il loro utilizzo come fonti energetiche per le case, ad esempio per contribuire alla generazione di energia rinnovabile. Il sistema Power to Home, ideato dalla giapponese Nissan, utilizza la sua auto elettrica Leaf con batterie agli ioni di litio in questo modo; tuttavia, un supercondensatore al grafene svolgerebbe questa mansione in maniera notevolmente migliore.

La ricerca nell'ambito dei supercondensatori al grafene è ancora agli albori e molti dei risultati incoraggianti si basano su prove in laboratorio eseguite su piccola scala. Affinché questi supercondensatori possano essere utilizzati come fonte energetica per le automobili, le tecnologie devono essere scalabili. Anche se non sono in grado di mantenere tutte le promesse fatte, i supercondensatori al grafene avranno probabilmente un ruolo innovativo nel futuro del trasporto elettrico.

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