Il grafene indotto da laser per l'energia del futuro
"L'energia più sostenibile è quella che riusciamo a immagazzinare meglio", afferma il professor Andrea Lamberti del Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT che a giugno ha ottenuto un finanziamento ERC Proof of Concept per il progetto SUPRALIG – Sustainable and Ultra-PeRforming supercApacitors with 3D Laser-Induced Graphene.
Perché la transizione energetica non dipende solo da come produciamo energia, ma anche da come la accumuliamo. SUPRALIG punta, infatti, a sviluppare una nuova generazione di collettori di corrente in grafene indotto da laser (Laser-Induced Graphene, LIG), destinati a sostituire le tradizionali componenti metalliche impiegate in batterie e supercondensatori, rendendo i sistemi di accumulo più leggeri, efficienti e sostenibili.
Per comprenderne l'importanza, bisogna fare un passo indietro: cosa sono i collettori di corrente?
Invisibili ma essenziali, rappresentano le "autostrade" attraverso cui l'energia elettrica si muove all'interno dei sistemi di accumulo: collegano i materiali attivi al resto del dispositivo e permettono il trasporto delle cariche elettriche. Oggi sono realizzati prevalentemente in sottili lamine di rame o alluminio che possono rappresentare fino al 20-30% del costo complessivo di una batteria, oltre a incidere in modo significativo sul peso e sull'impatto ambientale del dispositivo. "Rendere più sostenibili questi componenti significa intervenire su uno degli elementi chiave dei sistemi di accumulo dell'energia", sottolinea il professor Lamberti.
È qui che entra in gioco il grafene indotto da laser. Il materiale viene ottenuto attraverso l'azione di un fascio laser che trasforma la superficie di materiali polimerici in una rete tridimensionale di carbonio altamente porosa e conduttiva. "Il laser 'scrive' direttamente sulla superficie del materiale polimerico, che può essere anche derivato da biomasse o da materiali di recupero, trasformandola in una spugna di grafene 3D", spiega Lamberti, dimostrando come innovazione tecnologica ed economia circolare possano procedere di pari passo.
Utilizzato come materiale per realizzare i collettori di corrente, il grafene presenta importanti punti di forza rispetto alle tradizionali lamine metalliche. Può, infatti, essere prodotto direttamente su substrati flessibili mediante un processo rapido, a singolo passaggio e senza la necessità di trattamenti ad alta temperatura.
Ma il vantaggio è duplice: da un lato, un processo produttivo più semplice e sostenibile, con meno lavorazioni e minori consumi energetici; dall'altro, le proprietà uniche del materiale stesso perché, come spiega il docente, "grazie alla sua elevata porosità, il grafene si comporta come una sorta di spugna conduttiva all'interno della quale vengono depositati i materiali attivi responsabili dell'accumulo energetico. Questo migliora il contatto tra i componenti dell'elettrodo e favorisce il trasporto delle cariche elettriche, con potenziali benefici in termini di efficienza e prestazioni del dispositivo”.
Come tutti gli ERC Proof of Concept, anche SUPRALIG nasce dall'evoluzione di un precedente progetto finanziato dallo European Research Council: il programma sostiene, infatti, ricercatrici e ricercatori già vincitori di un ERC nella trasformazione dei risultati della ricerca di frontiera in tecnologie con un concreto potenziale applicativo e industriale. Il finanziamento, pari a 150 mila euro, consente di verificarne la fattibilità tecnica e commerciale, sviluppare strategie di tutela della proprietà intellettuale e preparare il percorso verso una futura commercializzazione.
Nel caso di SUPRALIG, il punto di partenza è CO2CAP, l'ERC Starting Grant che ha impegnato il gruppo di ricerca del professor Lamberti nello sviluppo di tecnologie innovative per la cattura e la purificazione della CO₂ con conversione e stoccaggio simultanea di energia. L'obiettivo era trasformare il supercondensatore, tradizionalmente utilizzato per l'accumulo energetico, in un dispositivo multifunzionale capace di catturare selettivamente l'anidride carbonica dai gas di scarico e convertire l'energia associata a questo processo in energia elettrica. "In altre parole, il dispositivo era stato concepito per non limitarsi a catturare e purificare la CO₂, ma sfruttare proprio il processo di cattura e rilascio per generare energia. – spiega Lamberti – Quando un gas viene assorbito all'interno di un liquido si verifica una reazione che comporta uno scambio di energia: il nostro obiettivo era convertire questa energia chimica in energia elettrica."
Per raggiungere questo risultato, il gruppo di ricerca ha sviluppato nuovi materiali per gli elettrodi e innovativi elettroliti a base di liquidi ionici. Proprio nel corso di queste attività è emersa una delle innovazioni più promettenti del progetto: gli elettrodi in grafene indotto da laser, da cui ha preso poi forma SUPRALIG.
“Con SUPRALIG vogliamo trasformare i risultati ottenuti nei nostri laboratori in una tecnologia capace di rendere i sistemi di accumulo energetico concretamente più leggeri, performanti e rispettosi dell’ambiente”, commenta il docente. SUPRALIG lavorerà ora all'ottimizzazione dei nuovi collettori di corrente, migliorando le prestazioni delle strutture in grafene e dimostrandone la compatibilità con i processi produttivi impiegati dall'industria. La prova di concetto consentirà di validare questi collettori in microsupercondensatori e supercondensatori, con possibili applicazioni che si estendono anche a elettrolizzatori per la produzione di idrogeno e celle a combustibile. Il progetto punta così ad aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi per l'accumulo dell'energia più leggeri, efficienti e sostenibili, accelerando il trasferimento della ricerca verso applicazioni industriali.
“Grazie all’ERC Proof of Concept abbiamo l’opportunità di accelerare questo percorso, dimostrando che materiali innovativi come il grafene ottenuto da scrittura laser di substrati derivanti da biomasse e materiali di recupero possono sostituire componenti tradizionali più costosi e impattanti. È un risultato che premia anni di ricerca sul tema e che conferma come la ricerca scientifica possa contribuire in modo diretto alle grandi sfide della transizione energetica. Essendo ingegneri, il nostro obiettivo è portare questa tecnologia oltre il laboratorio, creando le basi per una nuova generazione di dispositivi per l’accumulo dell’energia destinati a supportare l’elettronica del futuro, le energie rinnovabili e le applicazioni smart che accompagneranno la vita quotidiana di milioni di persone”, conclude il professor Lamberti.
