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Realizzare batterie per auto elettriche che abbiano una velocità di ricarica rapida e una grande autonomia è la sfida del settore. In questo contesto entra l'azienda estone Skeleton Technologies, che ha sviluppato una nuova tecnologia per accumulare energia con un tipo di cella innovativa. L'obiettivo è quello di unire le competenze dell'azienda, che offre ultracondensatori di alta fascia e i più potenti sul mercato, a un tipo di materiale innovativo chiamato "grafene curvo". Una polvere di grafene "accartocciato" in grado di accumulare più energia rispetto ai "semplici" ultracondensatori.
Il problema principale nel creare la superbatteria al grafene sta proprio nelle capacità degli ultracondensatori a confronto con le attuali batterie agli ioni di litio. I condensatori sono in grado di accumulare e rilasciare energia rapidamente, sfruttando il campo elettrico per la ricarica piuttosto che una reazione chimica come avviene nelle normali batterie. I condensatori, però, presentano anche un limite significativo: nonostante l'alta velocità di ricarica, hanno una densità di energia molto inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio. Questo significa che una batteria con ultracondensatori comporta una rapida ricarica per le batterie delle auto elettriche, ma un'autonomia non sufficiiente.
La nuova tecnologia di celle proposta da Skeleton Technologies punta proprio a combinare, grazie all'utilizzo del grafene curvo, l'alta velocità di ricarica dei condensatori e la densità di energia delle batterie agli ioni di litio, così da ottenere una superbatteria al grafene chiamata SkelCap pensata per applicazioni nel settore dei veicoli elettrici, che consenta una maggiore velocità di carica, funzioni a temperature estreme e possa gestire fino a un milione di cicli, offrendo così anche una durata maggiore della stessa batteria.
Grafene curvo: cos'è e come può essere usato
Il grafene è sicuramente il materiale più innovativo che offre una vasta gamma di applicazioni. Si tratta di un foglio piatto costiuito da un singolo strato di atomi di carbonio organizzati in una struttura esagonale a nido d'ape. Le sue straordinarie proprietà ne fanno un "supermateriale" che promette di rivoluzionare tutti i tipi di industria, ma il problema è realizzare un ciclo di produzione che sia economico e su scala industriale.
La Skeleton Technologies è riuscita a fare un passo avanti, utilizzando il "grafene curvo" realizzato dai ricercatori dell'Università di Tartu, in Estonia, negli anni Novanta e raffinando il processo affinché sia a basso costo e prodotto su scala industriale. Questo materiale è costituito da una polvere nera fatta di minuscoli fogli di grafene accartocciati, proprio come un foglio di carta. In questo modo, spiegano dall'azienda estone, si ottiene un materiale con struttura esagonale molto simile a quella del grafene standard, ma che può essere sfruttata in altre applicazioni.
La polvere di grafene curvo è più conduttiva delle tipiche polveri di carbone attivo utilizzata negli elettrodi, e la forma di foglio accartocciato consente di aumentare la superficie utilizzabile rispetto ai classici fogli di grafene.
SkelCap, la superbatteria al grafene
Il grafene curvo è alla base della realizzazione della SkelCap di Skeleton Technologies, una superbatteria che sfrutta una nuova tipologia innovativa di cella. Gli elettrodi sono costituiti in grafene curvo e inondati di un elettrolita chimico, la cui composizione al momento viene tenuta segreta dall'azienda, che è stato sviluppato appositamente per lavorare con il nuovo materiale.
L'elettrolita chimico è in grado di aumentare la densità di energia della singola cella, che insieme alla grande quantità di superficie del grafene curvo, aumenta la velocità di carica e scarica degli elettrodi, ottenendo una densità di potenza almeno 10 volte superiore a quella di una comune batteria al litio. Inoltre, la resistenza e il calore sono ridotti, così da garantire anche una durata più lunga della batteria stessa.
La superbatteria al grafene è in grado di ricaricarsi rapidamente, potrebbe durare fino a un milione di cicli, ma resta ancora un problema: la densità di energia, e quindi la quantità di energia accumulata, è ancora troppo bassa per utilizzarla in un veicolo elettrico. Per offrire la stessa autonomia di una batteria al litio, dovrebbe essere quattro volte più pesante.
Superbatteria al grafene: utilizzi e sviluppo
La superbatteria ha come obiettivo quello di colmare il divario esistente al momento tra potenza di ricarica ed energia accumulata. Anche se la SkelCap non può essere utilizzata per i veicoli elettrici, data la poca autonomia a confronto con le batterie agli ioni di litio. La superbatteria SkelCap però potrebbe funzionare come batteria di avviamento per bus, camion, treni e altri veicoli o macchinari pesanti.
Altra possibile applicazione prevista da Skeleton Technologies, è quella di impiego nei sistemi elettrici utilizzati per l'aria condizionata, i finestrini, lo stereo, il riscaldamento e tutte quelle componenti dei veicoli che necessitano di potenza al di fuori del gruppo propulsore stesso. Al momento queste funzioni sono svolte da batterie al piombo acido, che tendono a guastarsi rapidamente e che con le prossime normative dell'Unione europea sull'impatto ambientali potrebbero dover essere sostituite.
Oltre alla rete di bordo da 12 volt, la superbatteria al grafene curvo rivestirà un ruolo anche nella rete a 48 volt di prossima generazione e nei sistemi di avviamento che sono ancora alle prime progettazioni, soprattutto nei sistemi ibridi dove non serve una grande autonomia della batteria, ma solo la rapidità di ricarica.
Al momento la SkelCap è stata progettata e ora l'azienda estone si approccia alla produzione a livello industriale. L'inizio della produzione per le innovative superbatterie al grafene è fissato per la fine del 2023. La tecnologia delle batterie evolve rapidamente e il grafene curvo offre nuovi sviluppi ancora da esplorare.
