Il grafene per trasformare calore in elettricità e nuove batterie elettriche

Il grafene aiuta a trasformare il calore dei motori a scoppio in elettricità e amplifica il cosiddetto chilometraggio del gas.

Utilizzando stronzio,biossido di titanio e grafene, gli scienziati hanno sviluppato un materiale che può convertire il calore del motore a scoppio, in energia elettrica e quindi ridurre sensibilmente la necessità di utilizzare grandi quantità di combustibili fossili. Si potrebbero anche avere applicazioni  da estendere nel settore aerospaziale, nella produzione in generale e in altri settori.

Nel 2012, l’amministrazione Obama ha annunciato di volere assicurare uno standard di consumo di carburante che richiederebbe ai  veicoli degli Stati Uniti in media 54,5 miglia per gallone entro il 2025. Il miglioramento al chilometraggio del gas (Gas Mileage) prodotto per combustione potrebbe contribuire a ridurre le emissioni dei gas a effetto serra e la dipendenza globale dai combustibili fossili.

Un approccio interessante degli scienziati è quello per il quale  stanno esplorando nuove vie, che debbono contribuire ad affrontare i problemi che comportano l’acquisizione di calore di scarto dai motori e da altri sistemi di alimentazione termica per trasformarlo in energia elettrica. Si conoscono molti composti che possono fare, questa trasduzione di energia, ma sono pesanti, costosi, tossici o operano solo a temperature elevate.Ian A. Kinloch, Robert Freer e colleghi hanno coltivato nuove possibilità, in questa direzione, percorrendo strade alternative.

I ricercatori hanno iniziato utilizzando un materiale chiamato biossido di titanio e stronzio con l’ aggiunta  di una piccola quantità di grafene, il quale com’è noto si comporta da materiale stabile con eccellenti proprietà conduttive.  Il materiale risultante da questo abbinamento, si è dimostrato  in grado di catturare e convertire il calore in corrente elettrica, in modo efficiente e su un ampio intervallo di temperatura.

Basta una briciola di grafene per raccogliere il calore dissipato dal motore e trasformarlo in energia per ricaricare le batterie o alimentare il sistema di condizionamento d’aria. La scoperta potrebbe tradursi in una innovazione significativa per l’efficienza energetica della prossima generazione di auto ibride.

E se il destino delle batterie al litio fosse quello di finire dalla culla alla tomba? E se il “killer” di questa tecnologia fosse proprio il grafene, materiale in cui si ripongono molte delle speranze per il futuro?

Secondo un gruppo di ricerca internazionale, formato da scienziati dell’Università di Cambridge e dell’Istituto di Tecnologia di Pechino, potremmo presto superare la fase degli ioni di litio per saltare direttamente all’era del litio-zolfo (Li-S). I ricercatori hanno trovato il modo, infatti, di superare il più grosso ostacolo per lo stoccaggio di energia con la tecnologia litio-zolfo

. Il grimaldello che ha aperto le possibilità è stato il grafene, utilizzato come ponte tra i diversi componenti. Le batterie Li-S garantiscono infatti una maggiore densità energetica rispetto alle più tradizionali Li-ion. Se la trovata del gruppo di ricerca riuscirà ad uscire dai laboratori per entrare nel mercato, potrebbe costituire una mezza rivoluzione per diversi settori dell’energia pulita: favorirebbe lo sviluppo di tecnologie per immagazzinare energia solare ed eolica, così come sarebbe un ovvia (quanto benvenuta) novità rispetto alle batterie Li-ion degli autoveicoli elettrici.

Ma perché lo zolfo? La ragione principale è la sua economicità. Lo zolfo costa poco, ecco perché i ricercatori hanno cercato di sviluppare dispositivi di accumulo energetico che incorporano questo materiale. Inoltre ha alcune caratteristiche non trascurabili che lo rendono superiore agli ioni di litio: una maggiore tolleranza al sovraccarico, minore tossicità, peso inferiore. Ma c’è un problema: lo zolfo è fragile. Nelle batterie litio-zolfo convenzionali, gli elettroliti liquidi agiscono sul composto Li-S, sciogliendolo progressivamente. Ecco perché le batterie Li-S durano poco.Per trovare una soluzione, alcuni tentativi sono già stati fatti in passato.

Tornando al materiale composto da grafene,in aggiunta a biossido di titanio e stronzio le ricerche su ACS Applied Materials and Interfaces per merito degli scienziati dell’Università di Manchester, hanno aumentato le possibilità di impiego dei materiali termoelettrici a basso costo nel settore automobilistico. Il team, guidato dai professori Ian Kinloch , Robert Freer e Yue Lin, ha aggiunto, come s’è detto, una piccola quantità di grafene all’ossido di titanio-stronzio.

Il composto risultante è stato in grado di convertire il calore, che altrimenti sarebbe andato perso, in corrente elettrica anche a temperatura ambiente.

La vettura media sciupa, sotto forma di calore, come si sa, circa il 70% dell’energia prodotta attraverso la combustione del carburante. Materiali termoelettrici in grado di convertire il calore in elettricità, o viceversa, come nel caso di frigoriferi, sarebbero molto utili in un settore ad alto spreco come quello automobilistico. La sfida è trovare un materiale che sia un buon conduttore, ma anche un buon dissipatore. Attualmente, i materiali che presentano queste proprietà sono spesso tossici e funzionano a temperature molto elevate – superiori a quelle generate dai motori delle automobili. Con l’aggiunta del grafene, tuttavia, una nuova generazione di composti potrebbe contribuire a ridurre le emissioni di carbonio da trasporto su gomma, convertendo il calore in energia elettrica.

Per questa ricerca il finanziamentoè stato operato  dall‘Università di Manchester Proprietà Intellettuale, Ingegneria e Scienze Fisiche Research Council e del Settimo Programma Quadro dell’Unione Europea.