Tecnica innovativa per sintetizzare nanocompositi avanzati basati sul grafene Secondo le previsioni, e avendo ispirato un premio Nobel per la fisica nel 2010, la forma del carbonio scoperta di recente nota come grafene dovrebbe dare il via alla prossima rivoluzione tecnologica. Ciò si avvererà, tuttavia, solo se potrà essere fabbricato in modo efficiente; esaminando l’accumulo di energia elettrica (EES, electrical energy storage), un progetto indica la strada da seguire. Tecnologie industriali © High level specialist, Shutterstock Il grafene combina in modo eccezionale una grande resistenza meccanica e alla trazione, un’ampia area superficiale, un’elevata stabilità chimica e una superiore conduttività termica ed elettrica, proprietà che conferiscono a questo materiale un potenziale straordinario. Per di più, visto che è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra, è anche entusiasmante dal punto di vista economico. Un campo in cui attualmente il grafene e i compositi a base di grafene risultano molto promettenti è in qualità di materiali sostitutivi per gli elettrodi nei dispositivi di accumulo dell’energia. Finora, il grafene ha notevolmente incrementato la capacità e l’efficienza delle batterie agli ioni di litio e dei supercondensatori. Rimangono tuttavia delle barriere alla sua diffusa applicazione nelle applicazioni industriali. Vi è una carenza di metodi validi per la produzione di nanocompositi avanzati basati sul grafene su scala industriale e in una maniera efficiente dal punto di vista dei costi, in gran parte a causa delle molte trasformazioni chimiche che si devono portare a termine. Per superare questo problema, Gnanomat, nell’ambito del progetto supportato dall’UE GRAPHEEN, ha usato una tecnica brevettata per costruire un impianto pilota al fine di portare su scala industriale i materiali dell’elettrodo per dispositivi di accumulo dell’energia. Il team ha attuato inoltre un sistema di controllo della qualità, e la commercializzazione è già in corso. Dai test di laboratorio all’impianto pilota e oltre Inizialmente il progetto ha usato diverse tecniche di caratterizzazione in laboratorio per comprendere meglio il processo di sintesi subito dai nanomateriali durante la produzione. «Riuscire a comprendere i meccanismi della sintesi e i problemi relativi alla stabilità del ciclo degli ossidi metallici, usati per migliorare le proprietà elettrochimiche del carbonio, è stata una sfida. Risulta complicato controllare tutti i parametri della sintesi, come ad esempio l’ossido–riduzione (Redox) per reazioni brevi», ha affermato la dott.ssa Alejandra García, coordinatrice del progetto. Si è poi proceduto a valutare l’idoneità dei nanomateriali per gli elettrodi nei dispositivi di accumulo dell’energia, selezionando poi quelli più promettenti per l’impianto pilota. La sfida principale per la fabbricazione dei dispositivi di accumulo dell’energia è quella di migliorare i parametri elettrochimici di densità energetica (la quantità di carica che un dispositivo può accumulare e poi fornire), la densità di potenza (quanto velocemente il dispositivo può fornire potenza) e il ciclo di vita del dispositivo, riducendo al contempo il costo per kWh generato. L’impianto pilota di GRAPHEEN ha impiegato la tecnica a fase singola di Gnanomat, che è sicura, brevettata e rispettosa dell’ambiente, per la produzione di nanocompositi avanzati basati sul grafene. Il processo di aumento di scala è condotto in un mezzo liquido. Laddove le proprietà dei prodotti possono essere determinate, attraverso il controllo dei parametri di sintesi, è possibile usare una procedura che non richiede pressioni o temperature elevate. I solventi impiegati sono comuni in questo settore industriale e non presentano alcun pericolo legato a tossicità o volatilità. Sono state anche applicate misurazioni del controllo di qualità ai cicli di produzione dell’impianto al fine di garantire che questi nanomateriali ottimizzati raggiungessero gli standard di mercato previsti. «Questo modo relativamente semplice, scalabile ed efficace in termini di costi per produrre nanocompositi avanzati basati sul grafene ha il potenziale per diventare lo standard di riferimento», dichiara la dott.ssa García. «Alla fine del progetto, stavamo sviluppando nanomateriali avanzati con buone risposte elettrochimiche». Un potenziale dirompente Con così tante attività umane che dipendono dalla produzione di energia e dai dispositivi di accumulo, qualsiasi materiale che offra maggiore efficienza, e a un prezzo ridotto, possiede un enorme potenziale dirompente positivo. Anche i nanocompositi potrebbero contribuire in modo decisivo alla riduzione delle emissioni di gas a effetto serra migliorando le capacità delle energie rinnovabili, dei veicoli elettrici o dei dispositivi elettronici. Al momento, la tecnologia rimane ancora nella fase su scala pre-industriale. Allo scopo di progredire all’immissione sul mercato, e quindi alla fornitura su larga scala a produttori e assemblatori, Gnanomat sta sviluppando una collaborazione strategica con il gruppo di ingegneria dei materiali Versarien. Parole chiave GRAPHEEN, grafene, nanocompositi, potenza, dispositivo di accumulo dell’energia, energia, elettrochimico, carbonio, batterie
