La batteria che ricarica in 30 secondi

Poco tempo fa è comparso su Kickstarter un nuovo progetto, che non è passato inosservato al mondo dell’elettronica. È finito anche nella nostra top12 di agosto, e poiché più di qualche utente è incuriosito dall’argomento, abbiamo deciso di approfondire.
Tutto inizia quando il signor Shawn West ha aperto una campagna su Kickstarter promettendo una batteria che ricarica in 30 secondi (26 per la precisione!), con caratteristiche di capacità confrontabili con le normali pile stilo doppia A. Ovviamente non è passata inosservata una innovazione del genere e la campagna è finita con successo. Tuttavia molti hanno espresso anche qualche scetticismo nei confronti di Shawn West. Senza dubbio, infatti, sarebbe una tecnologia che cambierebbe molte nostre abitudini, ma non è tutto oro quel che luccica.

Perché essere sospettosi

Innanzitutto per la carenza di informazioni presenti sulla campagna Kickstarter. Siamo abituati a innovazioni spesso molto interessanti sul popolare sito di crowd-founding, e una batteria del genere certo non sfigura, ma la campagna di Shawn West, al contrario di altre, è veramente povera di particolari tecnici. C’è solo un video dove spiega che la sua batteria carica in pochi secondi, qualche foto del packaging della batteria con vicino un condensatore al litio di dimensioni compatibili con una stilo AA, e un prototipo di caricabatteria, non meglio identificato. Il resto sono ottime e belle parole purtroppo senza molti dati o prove scientifiche a supporto del fatto che la batteria abbia veramente le capacità dichiarate.

Anche alla richiesta di informazioni West è sempre molto vago e non rivela particolari tecnici. L’unica cosa che fa ben sperare sulla serietà del progetto è una sua dichiarazione a proposito di un brevetto in fase di approvazione.

Più avanti il signor West però ha rivelato alcuni dettagli molto più interessanti. In realtà, ha spiegato, si tratta di un super-condensatore al litio, modificato da lui con il grafene che ha prodotto da solo in casa. Questo potrebbe già rendere più credibile la batteria miracolosa, ma ancora non ci basta e vogliamo fare alcune considerazioni ulteriori.

I supercapacitori

Prima di continuare, facciamo un po’ di chiarezza su alcuni punti, magari non chiari a tutti i nostri lettori. I condensatori tradizionali funzionano sostanzialmente grazie a delle superfici (chiamate armature) che immagazzinano la carica elettrica. Possiamo definire questo metodo di accumulo dell’energia come metodo diretto, poiché le cariche elettriche vengono direttamente "immagazzinate" senza alcun cambiamento di tipo chimico. Al contrario, nelle batterie tradizionali l’energia è immagazzinata tramite reazioni chimiche (chiameremo questo metodo indiretto).

Come risultato abbiamo due modi di immagazzinare energia che offrono prestazioni molto differenti: i capacitori non possono immagazzinare molta energia (bassa energia specifica), ma possono usufruirne in maniera molto rapida poichè non ci sono reazioni chimiche di mezzo (quindi hanno un’elevata potenza specifica). Al contrario le batterie chimiche hanno una energia specifica (anche di molto più elevata), ma la potenza specifica ne risente: infatti non possiamo scaricarle velocemente come con i condensatori.

Breve comparativa tra condensatori supercondensatori e batterie
batterie condensatori supercondensatori
energia specifica (Wh/kg) ~100 <0.1 10
potenza specifica (kW/kg) 0.2 >10 1
tempi di carica/scarica 1-4 h us-ms 30-60 ms
cicli di vita 500-2000 ~500000 ~100000

Possiamo vedere i supercondensatori come una via di mezzo tra batterie e condensatori, sia come prestazioni sia in quanto a metodi di immagazzinamento dell’energia. In base alle tecnologie che utilizzano li dividiamo in due categorie: EDLC (Electrochemical Double Layer Capacitor) e redox supercapacitor. Gli EDLC sono essenzialmente condensatori normali (solo metodo diretto, e per questo sono condensatori a tutti gli effetti) ma hanno prestazioni degne del nome di supercondensatore, grazie a due strati di materiale poroso separati da un isolante. Il capacitore, come ricorderete, immagazzina energia sulle superfici delle armature, e maggiore è la superficie, maggiore sarà la capacità del condensatore. L’idea quindi è di usare materiali molto porosi per fare le armature, aumentando quindi la superficie specifica. Mentre i condensatori tradizionali usano carboni attivi (che tipicamente hanno una superficie specifica nell’ordine di 0.1 m2/g), gli EDLC usano materiali più porosi (che possono essere sempre carboni attivi, ma anche grafite o aerogel) che arrivano anche a 250 m2/g.

Supercapacitor_diagram

credits: wikipedia

La cosa importante negli EDLC è che non avvengono reazioni faradiche tra elettrodo ed elettrolita, ma solamente trasferimento di carica: gli EDLC sono in tutto e per tutto dei condensatori, tecnologicamente “pompati”.

Nei condensatori redox, al contrario, avvengono delle reazioni di tipo faradico. Queste sono effettivamente delle reazioni chimiche, per cui questi condensatori sono assimilabili alle batterie da un punto di vista chimico, tanto che la capacità sviluppata tramite queste reazioni è detta pseudo-capacità. Ciò che li rende simili ai condensatori è il fatto che le reazioni faradiche sono talmente veloci che il comportamento di un supercondensatore è di fatto più vicino al (super)condensatore che alla batteria.

Un’ultima cosa da ricordare è che esistono anche supercondensatori ibridi, che utilizzano entrambi i meccanismi descritti. Un esempio di condensatore ibrido è il condensatore al litio (come quello di Shawn West), nel quale è usato del carbone attivo (in modo simile agli EDLC) per fare da catodo, mentre all’anodo c’è un materiale dopato con ioni litio, che contribuisce per la maggior parte alla capacità del condensatore (le armature qui diventano elettrodi data la natura del “capacitore”). Per i curiosi tra i link in fondo all'articolo c'è anche quello alla pagina relativa a un condensatore al litio venduto da Mouser.

Supercapacitors-Short-Overview

Ma tornando a noi: il signor West ha un condensatore al litio (si può acquistare per circa 30 euro; un po’ costoso come condensatore, ma sono parecchi Farad) e un po’ di grafene. Sappiate che se avete tempo e voglia il grafene potete provare a farvelo in casa; se poi avete anche un microscopio a scansione potete verificare che avete ottenuto grafene e non altro, cosa altamente probabile vista la precisione delle strutture in oggetto. Quello che non ci viene detto dal signor West è come abbia fatto a mettere insieme questi due ingredienti e fare un supercondensatore al litio-grafene.

In un aggiornamento West ha annunciato che 8000 dollari dei 10000 ottenuti con la campagna, servono a pagare una azienda produttrice di condensatori, che realizzerà i condensatori con il grafene prodotto da lui stesso.

Ora, un metodo industrialmente efficiente e remunerativo per produrre grafene non è ancora conosciuto, ma possiamo pensare che il suo grafene non sia un prodotto industriale, anzi, come abbiamo detto, è proprio home-made! Possiamo, dunque, anche presumere che la qualità non sia eccelsa, cosa che certo non aiuta in prodotto così tecnologico e delle dimensioni di una pila stilo.
Ma come si infila il grafene in un condensatore? Il signor West non ce lo rivela, ma cercando in giro si trova che i condensatori al grafene sono in fase di studio e nei laboratori di ricerca si fanno. Ma resta il fatto che farli industrialmente è completamente diverso: in un laboratorio è relativamente semplice depositare (o far crescere) un po’ di grafene su un elettrodo di una cella di un condensatore, ma il prodotto che otteniamo è un prototipo, utilizzabile solo per misure e test in laboratorio. Scordiamoci il form-factor cilindrico e relativamente piccolo a cui siamo abituati! Produrre un condensatore industrialmente su larga scala è cosa ben diversa. Il signor West avrebbe, dunque, trovato un metodo per consentire all'attuale tecnologia di produzione di portare nel mercato un materiale così innovativo con un investimento di 8000 dollari?

Facciamo due conti

C’è un'altra considerazione da fare, forse la più facile: come carico una batteria in 26 secondi? Usando un po’ di fisica elementare possiamo tirare fuori numeri abbastanza complicati da gestire.

1150 mAh a 1.5 V sono 1.5*1.15*3600 = 6210 Joule di energia

per la ricarica in 26 secondi servono:

1.15 * 3600 / 26 = 160A circa

160 Ampere sono tanti, lo può confermare chiunque abbia a che fare con sistemi del genere; per concludere con i calcoli possiamo stimare anche il tipo di alimentatore necessario:
160A a 3.8V sono circa 600W, contando le perdite facciamo anche 800W (75% di efficienza, ma che potrebbero diventare benissimo 1kW se l'efficienza scende al 60%).

Dunque, un caricabatterie da 600W (ottimisticamente)... sono parecchi, più o meno un alimentatore da PC. Sono potenze da gestire in modo adeguato e, se dovessimo giudicare da quel che vediamo dalla pagina Kickstarter, West non ha tenuto adeguatamente in considerazione: si vede soltanto una scheda mille-fori con attaccato un componente non identificato in formato TO-220 neppure dissipato. Se quello che vediamo è quello che c'è, non sembra ci sia modo che 160 A passino tutte attraverso quel regolatore/mosfet o qualsiasi cosa sia.

Ma anche tralasciando questo particolare, dobbiamo ricordare che la carica di un condensatore al litio è diversa da quella di un normale condensatore: ricordiamo infatti che è un tipo di condensatore ibrido all'interno del quale avvengono reazioni chimiche. I condensatori al litio hanno delle specifiche di carica. Se vengono caricati/scaricati troppo velocemente si rischia il surriscaldamento compromettendo così la vita del condensatore.

Il grafene

Il grafene è una forma allotropica del carbonio, ovvero una forma cristallina che il carbonio può assumere. Per chiarire il concetto le altre forme allotropiche del carbonio sono, per esempio, i fullereni, i nanotubi di carbonio, il diamante e altre meno conosciute.

Il grafene si presenta come un sottile foglio di atomi di carbonio (idealmente mono-strato, SLG o Single Layer Graphene); dunque una forma piuttosto inusuale per un materiale, proprio per il fatto che si tratta di una struttura bidimensionale mentre la quasi totalità dei materiali ha una geometria cristallina tridimensionale. Come molti nano-materiali anche il grafene è stato scoperto (e studiato) solo recentemente, e ha interessanti proprietà.

Nel 2010 il premio Nobel per la fisica è stato assegnato a due scienziati dell’università di Manchester per le importanti scoperte fatte su questo materiale (trovate l'articolo nei link in bibliografia). Proprio loro sono riusciti a produrre grafene con un metodo un po’ casalingo, ma efficace: hanno usato del nastro adesivo per diminuire via via lo spessore dei cristalli di grafite ottenendo degli strati sempre più sottili (la grafite è fatta essenzialmente di fogli di grafene, impilati ordinatamente e con un debole legame atomico che li tiene insieme, quindi è facile “staccarli” con questo metodo), fino a quando sulla superficie del nastro adesivo non resta che uno strato (o qualcuno di più) di carbonio: il grafene, per l'appunto.

Una volta ottenuto il grafene si può, anzi si deve, trasferirlo su un substrato adeguato, sul quale poi può essere utilizzato. Sfortunatamente questo metodo così semplice non è riproducibile industrialmente per produrre grandi quantità di grafene, soprattutto perchè è piuttosto irregolare e i cristalli sono molto piccoli: bisogna quindi cercare altri metodi per ottenere il grafene. Inoltre in questo tipo di materiali è molto importante monitorare la qualità del prodotto ottenuto e inevitabilmente si creano difetti. È molto difficile creare un foglio di grafene mono-strato (SLG) abbastanza grande e privo di difetti (in scienza dei materiali, per difetti intendiamo discontinuità nella struttura reticolare, come bordi o inclusioni e contaminazioni), ma per molti usi pratici basta il grafene in forma FLG (Few Layer Graphene), ovvero un cristallo di fogli di grafene di 2-10 layer sovrapposti, che ha caratteristiche simili al SLG. Per questo motivo possiamo pensare che non sia particolarmente critica la produzione del grafene (visto che il FLG ci basta) anche in casa se ci si accontenta di un prodotto mediocre. Per ottenere prodotti commerciali e preformanti devono però essere fatte delle verifiche sulla qualità del prodotto, che necessitano di costosa strumentazione da laboratorio come microscopi a scansione atomica (o a trasmissione) ed apparecchiature per la spettrometria.

graphene_structures

Attualmente i metodi di produzione del grafene sono diversi e dipendono dalla qualità che si vuole ottenere e comunque sono difficilmente automatizzabili per produzione su larga scala. Il metodo che più si presta a produrre grafene in buone quantità è la riduzione di ossido di grafite (GO) tramite idrazina o un altro agente riducente. Questo è però un metodo vecchio e dà un grafene di qualità piuttosto bassa anche rispetto al grafene ottenuto per esfoliazione (termine tecnico per il metodo con nastro adesivo di cui parlavamo prima). In laboratorio si può usare la deposizione chimica da vapore (CVD o nella sua variante con plasma PECVD), che è già usata per produrre nanotubi di carbonio (altro materiale interessante e studiato per la produzione di condensatori, data l’elevata superficie specifica) e molti altri materiali compositi. Per fare un esempio, i rivestimenti in titanio di molti utensili sono fatti mediante CVD/PECVD. Un altro metodo prevede di usare un laser per bruciare ossido di grafite per ottenere grafene. Curiosamente gli scienziati che hanno elaborato questo metodo hanno usato proprio un DVD come base e il laser di un masterizzatore DVD! Infine lo scorso anno è stato provato un nuovo metodo, basato sul distacco di grafene in un liquido privo di ossigeno all’interno di un particolare miscelatore, che a detta dei ricercatori permette di ottenere un buon prodotto anche su larga scala.

Ovviamente questi sono solo alcuni dei metodi per la produzione di grafene, raccontati abbastanza semplicemente, ma ognuno ha pregi, difetti e complicanze. Ricordiamoci inoltre che spesso conta il risultato ovvero quanto bene funziona il grafene che ho ottenuto con una particolare lavorazione per una particolare applicazione.

Il grafene per l’elettronica

Le applicazioni del grafene sono ancora in fase di studio. Negli ultimi anni molte ricerche sono state fatte e molte altre sono tuttora in corso. Di quando in quando si sente qualche notizia sulle sensazionali prestazioni del grafene in un particolare campo, primo tra tutti quello dei semiconduttori: è da anni che, periodicamente, si parla di transistor al grafene.

Molte volte le buone prestazioni del grafene sono legate esclusivamente a prototipi da laboratorio: la difficoltà nel produrre dispositivi commerciali a base di grafene è il vero motivo per cui non abbiamo ancora il grafene nei nostri computer o smartphone. Inoltre per ottenere (alcune) buone proprietà elettroniche è importante avere del grafene mono-strato.

Risulterà quindi chiaro come sia difficile sviluppare un prodotto a base di grafene, data la difficoltà nella produzione del SLG. Per illustrare le proprietà elettroniche del grafene sono necessarie conoscenze di fisica dello stato solido, dove a dire il vero sono impreparato, quindi vi lascio solamente a un articolo introduttivo sulle proprietà del grafene. Chi ha conoscenze più avanzate potrà poi approfondire.

Solo una curiosità riguardo uno strano comportamento del grafene: è un ottimo conduttore, gli elettroni hanno una grande mobilità e si comportano come se non avessero massa, come un’onda. Proprio questa caratteristica del grafene è argomento di studio del protagonista di una puntata della famosa serie The Big Bang Theory.

L’uso dei nanomateriali nei supercondensatori oggi

Molti ricercatori si sono occupati dell’applicazione dei nanomateriali per supercondensatori (sia EDLC che redox). Si è studiato dapprima l’uso di nanotubi di carbonio per EDLC, solo successivamente le applicazioni del grafene agli EDLC e ai condensatori a pseudo-capacità. Gli studi condotti finora sono molto diversi tra loro: ognuno utilizza metodi diversi per la produzione dei materiali (che risultano anch’essi diversi nelle proprietà che esibiscono) e metriche di confronto non sempre spendibili in campo industriale (ovvero spesso non sono note le potenze ed energie specifiche ponderali), così come certe caratteristiche tecniche (risposta in frequenza e cicli di vita).

Mentre i prodotti commerciali arrivano a 1-14 kW/kg ed energie di 1-6 Wh/kg, nei laboratori, in fase prototipale, ci sono condensatori che hanno fatto misurare valori anche di un ordine di grandezza più elevati.

Di seguito ne riportiamo solo qualche esempio: nel leggere i dati seguenti bisogna ricordare che si tratta di prototipi che vivono in laboratori di ricerca. I risultati sono molto diversi proprio a causa dell'estrema variabilità delle proprietà finali rispetto al processo produttivo e al tipo di cella prodotta, nonché alla procedura di misura della capacità. Per poter confrontare efficacemente due (o più) dei seguenti dati bisognerebbe pertanto andare a confrontare il lavoro fatto dai rispettivi laboratori da cui sono usciti i lavori. Da notare come questi dati siano generalmente molto più alti rispetto a quelli ottenuti dai prodotti commerciali.

Esempi di EDLC prototipali che impiegano nanomateriali
Tipo di materiale ed elettrolita Capacità specifica (F/g) Potenza specifica (kW/kg) Energia specifica (Wh/kg)
NanoCarbon film 75 506 76
SWCNT e 7.5 N KOH 180 20 7
MWCNT e acido solforico 210 - 27.8
MWCNT e KOH 20 30 -
Grafene e acido solforico 117 - 32
Grafene e cloruro di potassio 135 7.2 15
Esempi di capacitori redox prototipali che utilizzano nanomateriali
Tipo di materiale ed elettrolita Capacità specifica (F/g)
MWCNT + PPy e acido solforico 163
MWCNT + PPy e cloruro di potassio 2.5 F/cm2
MWCNT + PPy e solfato di sodio 427
Grafene e acido solforico 480
GO e acido solforico 531

Legenda:

SWCNT = sinlge wall carbon nanotube (sono nanotubi di carbonio semplici)
MWCNT = multi wall carbon nanotube (si possono immaginare come nanotubi di carbonio concentrici, "multi-parete")
PPy = polipirrolo
GO = ossido di grafene

Per concludere

A fronte di tutto quanto esposto, non ritengo di aver trovato informazioni oggettive e scientificamente valide circa le prestazioni effettive della batteria di cui abbiamo parlato fin'ora. La campagna di raccolta fondi è finita da un paio di mesi, e dalle ultime notizie riportate sulla pagina ufficiale le batterie dovevano già essere state spedite. Stando a quanto ci siamo detti fin'ora, trovo molto difficile che il progetto di questa batteria si sia concluso felicemente.

Desidero esprimere la mia personale incredulità che un super-condensatore con caratteristiche simili a quelle pubblicizzate da West possa esser verosimile. E questo soprattutto per il modo con cui è stata fatta la campagna, senza alcuna informazione tecnica. Se il signor West fosse veramente in grado di produrre un condensatore litio-grafene in grado di sostituire le batterie stilo sarebbe certamente valsa la pena di pubblicizzarlo meglio e dar il giusto risalto alle prove che confermano le caratteristiche da lui dichiarate. Inoltre sono convinto che per fare un condensatore del genere non bastino gli 8000 $ che ha raccolto il founder. Serve ricerca, servono macchine e serve know-how. Sicuramente in un futuro (si spera prossimo) vedremo questa tecnologia applicata in diversi campi, probabilmente automotive (ma anche altri), ma le cose devono essere fatte bene, non si cerca di vendere una batteria testata sul giocattolo della figlia (cosa che ha fatto il signor West per convincerci).

Bibliografia e link

  1. La pagina wikipedia sul graphene (inglese, quella in italiano purtroppo è un po povera di informazioni):
  2. La pagina wikipedia sui supercapacitori, sempre in inglese. Molto interessanti sono anche le pagine relative ai specifici EDLC e capacitori al litio:
  3. Un articolo di uno dei due scienziati che hanno vinto il nobel nel 2010 per le scoperte sul grafene:
  4. Un esempio di condensatore al litio commerciale prodotto da Taiyo Yuden, in vendita da Mouser:
  5. Un esempio di condensatore EDLC in vendita da Conrad:
  6. Giusto per elencare una delle possibili (milioni) di applicazioni del grafene:
  7. Il grafene "masterizzato" sui DVD dai cervelloni dell'UCLA (Università della California):
  8. La batteria a ricarica rapida sviluppata da StoreDot, una spin-off dell'università di Tel Aviv:
  9. Infine qualche articolo pubblicato su importanti riviste scientifiche (l'ultimo link è senz'altro il più interessante e completo): Articolo 1Articolo 2, Articolo 3
  10. La pagina kickstarter della batteria dei miracoli e un esempio di come invece dovrebbe essere fatto un progetto (simile) per riscuotere successo.
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7 Commenti

  1. Piero Boccadoro 14 Novembre 2014
  2. Antonello Antonello 16 Novembre 2014
  3. Giorgio B. Giorgio B. 16 Novembre 2014
  4. pietro.tosato pietro.tosato 16 Novembre 2014
  5. RobyTojo 18 Novembre 2014
  6. illupo89 21 Novembre 2014
  7. Antonello Antonello 29 Novembre 2014

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