Le batterie del futuro, di quale materiale saranno composte?
Già da tempo è partita la lotta ai materiali che non sono ecosostenibili. Sempre di più riceviamo moniti sui danni provocati dal cambiamento climatico e dall’utilizzo di prodotti che danneggiano l’ambiente. Per questo i Paesi hanno introdotto nuovi regolamenti per consentire la circolazione delle vetture senza rischi di inquinamento e per la produzione di energia alternativa e la sostituzione di alcuni materiali potenzialmente tossici. Tra esse si trovano i materiali che compongono le batterie, soprattutto quelle che vanno ad alimentare le vetture elettriche che dovranno sostituire le auto a metano. In questo post vi parliamo di un materiale molto adatto alle batterie del futuro. Si trova facilmente nella natura e lo conosciamo benissimo. Quale? Guardate!
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Le case automobilistiche fanno a gara per creare le batterie delle auto elettriche
L’utilizzo dei veicoli elettrici è cresciuto a dismisura. Nonostante le informazioni che ci arrivano dagli Stati Uniti (a Chicago le auto elettriche sono rimaste “in panne” a causa delle basse temperature), le case automobilistiche e i governi di Cina e USA fanno a gara per assicurarsi i materiali necessari per costruire le batterie, a costo anche di investire miliardi di dollari nel riciclaggio di metalli preziosi come nichel e cobalto dalle batterie agli ioni di litio esaurite. Ma c’è un altro materiale che può essere utilizzato per questo scopo, molto comune e fino a poco tempo fa considerato poco più di un rifiuto: la grafite.
I materiali per la creazione delle nuove tecnologie
La grafite, come il litio, fa parte di una lista di materiali chiamati “critici”, in quanto necessari per la creazione delle nuove tecnologie, per il passaggio dal consumo fossile alle energie alternative e facenti parte della transizione energetica. La sfida maggiore che si prospetta in questo scenario è per la produzione di macchine elettriche, dove le quantità di utilizzo di questo minerale sono enormi.
La grafite, un minerale leggero al carbonio
La grafite è un minerale composto da atomi di carbonio con alcune impurità, ciascun atomo si lega con altri 3 atomi di carbonio assumendo la forma di un esagono (grafene); questo crea un legame covalente molto forte, per spezzarlo difatti, serve una notevole quantità di energia, fattore importante. Questi esagoni si sovrappongono tra di loro nei vari strati, qui i legami che si creano sono deboli, tanto che possono scorrere tra di loro, infatti la grafite é un materiale che tende a sgretolarsi.
La grafite la conosciamo tutti perché si trova attualmente nelle matite.
La grafite viene estratta nelle cave, in maggior quantità dalle miniere dell’Asia, il resto dei siti sono in Canada, sud America ed altri. La Cina ha attualmente il monopolio della produzione (64,65%) e della raffinazione (99%), oltre che produttore di grafite sintetica, più performante di quella naturale e decisamente più costosa.
Le batterie del futuro e la grafite
Dall’inizio di dicembre la Cina ha implementato nuovi controlli sulle esportazioni di grafite, che può essere trovata in natura sotto forma di scaglie o masse cristalline, che vengono estratte e poi lavorate. Viene anche prodotta sinteticamente riscaldando i sottoprodotti della produzione di carbone o petrolio a temperature superiori a 2.500 gradi Celsius.
Affinché il riciclaggio della grafite sia utile, i riciclatori devono ottenere un prodotto ad alte prestazioni, adatto alle batterie. Per fare ciò, hanno bisogno di metodi che separino la grafite da tutto il resto, rimuovano eventuali contaminanti come metalli e colle e ripristini la struttura geometrica originale del materiale, cosa che spesso viene fatta applicando calore intenso.
Qual è la funzione della grafite nelle batterie?
La grafite è un ottimo conduttore di elettricità ed è in grado di intercalare ioni nella sua struttura senza degradarsi, permettendo il processo di carica e scarica. Avendo stabilità chimica, è in grado di sopportare reazioni anomale, ossidazione e corrosione evitando così il deterioramento della batteria stessa. La sua funzione principale è quella di fornire uno strato che sia conduttivo e faciliti il passaggio degli elettroni all’interno della batteria. Questo meccanismo può variare da chimica a chimica, fino a far diventare il suo utilizzo marginale.
Nelle batterie agli ioni di litio la grafite è di notevole importanza per la loro potenza ed il loro funzionamento; è presente nell’anodo e permette il flusso della carica e scarica, grazie alla grafite nella batteria avviene il processo di intercalazione, gli strati della grafite permettono di immagazzinare e rilasciare gli ioni del litio ed è fondamentale per la prestazione della batteria stessa.
Fourth Power, un’azienda pioniera nella produzione di energia a partire della grafite
Fourth Power è una delle numerose società che si occupano di trovare soluzioni di stoccaggio di energia termica. Proviene dal Massachusetts ed è sostenuta anche dal fondo Breakthrough Energy Ventures di Bill Gates. L’idea dell’azienda americana è abbastanza semplice nel suo complesso. L’energia, prodotta per esempio da fonti rinnovabili, in eccesso viene utilizzata per scaldare grandi blocchi di grafite fino a 2.500 °C.
Nel sistema Fourth lo “spostamento” di questa energia termica avviene attraverso del metallo liquido caratterizzato dalla bassa temperatura di fusione 232 °C (stagno).Il metallo liquido circola nell’impianto grazie ad un innovativo tipo di pompa meccanica in grafite progettata proprio dal fondatore di Fourth Asegun Henry. Questo tipo di pompa può gestire liquidi caldi fino a 1.200 °C stabilendo un Guinness World Record.
Queste pompe spostano il metallo liquido surriscaldato all’interno di un sistema idraulico di grafite, trasferendo così il calore dagli elementi riscaldanti ai blocchi di grafite. Al momento di recuperare l’energia accumulata lo stesso sistema idraulico pompa il metallo liquido attraverso numerosi stretti tubi di grafite all’interno di una serie di celle di raccolta dell’energia.
Questi tubi diventano incandescenti ed emettono luce intensa. Questa luce viene raccolta attraverso celle termofotovoltaiche (TPV) che raccolgono fotoni dalla fonte di calore incandescente. Il principio generale è simili alle celle solari degli impianti fotovoltaici, a queste temperature, infatti, quasi tutto il trasferimento di calore avviene sotto forma di luce anziché attraverso il meccanismo della conduzione o della convezione.
I costi contenuti delle nuove batterie
Fourth Power afferma che l’obiettivo è ottenere un’efficienza energetica del circuito completo di circa il 50% valore inferiore rispetto a grandi impianti con batterie al litio ma a costi significativamente più bassi.
In questo tipo di impianto grafite e stagno sono massicciamente utilizzati e sono molto economici come materia prima rispetto al litio raffinato, quindi mentre una batteria al litio potrebbe costare circa 330 dollari per kWh di energia immagazzinata e restituita, Fourth afferma di poter ottenere lo stesso risultato con meno di 25 dollari. Quindi anche nei casi di stoccaggio a lungo termine, dove l’efficienza sarà inferiore con perdite stimate di circa l’1% dell’energia immagazzinata al giorno, il costo sarebbe comunque enormemente inferiore.
Non male, vero?
