Supercondensatori al grafene: l’idea green italiana per stoccare energia

Nel percorso verso la realizzazione di nuovi sistemi di accumulo di energia, c’è un’idea nuova nata al Politecnico di Torino che intende creare supercondensatori al grafene con un processo totalmente sostenibile. Si tratta di una prima mondiale assoluta: anziché usare sistemi di energy storage basati sui metalli, sfrutta i polimeri sviluppati da matrici biologiche di scarto.

Quello che verrà avviato ufficialmente a gennaio 2027 nasce quale linea di ricerca del progetto ERC precedente sulla cattura e riconversione della CO2 sempre basato su supercapacitori, oggi terminato. Uno dei suoi risultati più promettenti — la produzione di grafene tramite scrittura laser (Laser-Induced Graphene)— è il fulcro del nuovo progetto che ha ottenuto un finanziamento ERC Proof of Concept , denominato SUPRALIG*, sempre coordinato e gestito da Andrea Lamberti, docente presso il Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT).

Partendo dai risultati ottenuti con l’ERC Starting Grant CO2CAP, il progetto punta “a sostituire i tradizionali collettori di corrente metallici di batterie e supercondensatori, riducendone peso, costi e impatto ambientale”, specifica una nota del Politecnico di Torino.

Se tutto dovesse andare bene, dimostrandone l’applicabilità, si svilupperà una startup che traghetterà l’idea a scala commerciale.

Sfruttare i polimeri per supercapacitori green

L’idea alla base della nuova linea di ricerca sui supercondensatori al grafene è nata studiando la possibilità di ottimizzare gli elettrodi nel processo di carica e scarica. «Spunto di ispirazione è stato un articolo scientifico, pubblicato su Nature Communications a cura di un team di ricerca della Rice University, che descriveva una tecnologia riguardante la scrittura laser di superfici polimeriche», racconta Lamberti. I materiali polimerici sono ottimi candidati per applicazioni future nell’immagazzinamento e nella conversione dell’energia. Da quella lettura si sviluppò un lavoro scientifico che è culminato nella realizzazione di ben 20 pubblicazioni dedicate e un brevetto in scala di laboratorio. Ora l’idea è di svilupparlo in modo ben più ampio.

Il laser trasferisce energia, quale sorgente di fotoni che incidono una superficie.

«In questo caso, l’energia contenuta nella luce del laser (alimentato con energia rinnovabile) viene utilizzata per convertire la superficie del polimero in un materiale a base grafene. A sua volta, quest’ultimo diventa un nuovo elettrodo per super condensatori, evitando l’impiego di fogli di alluminio e di rame, normalmente utilizzati per questo tipo di soluzioni di accumulo».

La tecnologia, quindi, va a sostituire i collettori di corrente metallici nelle batterie e nei supercondensatori con una struttura a base di carbonio, porosa e tridimensionale, scritta direttamente su substrati polimerici, spesso derivati da scarti agroalimentari. L’obiettivo è superare la produzione statica, “foglio per foglio”, e sviluppare un processo continuo “roll-to-roll” per la produzione su larga scala.

Lo studio dei sistemi ibridi

Lamberti ha focalizzato l’attenzione sullo sviluppo di sistemi ibridi, oggi molto in auge, chiamati metal-ion capacitors o supercapacitori a ioni metallici. È una tecnologia ibrida che si pone tra le batterie e i supercondensatori. «Sono entrati da poco sul mercato. La ricerca è nata una quindicina d’anni fa, però è uno dei pochi esempi in cui la ricerca scientifica ha raggiunto il mercato in tempo molto breve, perché c’è la necessità di avere un dispositivo che sia alternativo alle batterie e in grado di fornire delle prestazioni più stabili sia sul lungo termine che a livello di corrente e tensione».

Di supercapacitori ibridi ce ne sono molti allo studio. L’unico giunto a scala commerciale è il litio ion capacitor. «È molto diverso dalla batteria, è una via di mezzo. In ogni caso, ha bisogno di questo elettrodo molto conduttivo e molto poroso e a base carbonio. Se non c’è quello, non si può sviluppare. Questa nuova tecnologia emergente potrà trovare molti ambiti di impiego, dove le batterie e un condensatore tradizionale non riescono a fornire sufficiente potenza ed energia», specifica il professore del Politecnico di Torino. È come se si unissero due mondi: le batterie lavorano ad alta energia e i supercondensatori ad alta potenza. «Noi stiamo andando nella direzione di colmare quel gap che c’è tra le due. E per farlo si possono utilizzare le tecnologie esistenti, oppure si può pensare a realizzare una soluzione nuova che elimina i problemi di quelle esistenti». A questo proposito, i supercondensatori al grafene potranno fornire una nuova opportunità.

Il vantaggio dei supercondensatori al grafene

Utilizzare la tecnologia di “scrittura laser” per convertire la superficie di un polimero in un materiale a base di grafene, poroso e tridimensionale ha diversi vantaggi. Chiamato Laser-Inducted Graphene (LIG), crea un collettore di corrente leggero, sostenibile ed efficiente.

Il laser trasferisce energia alla superficie polimerica, provocando una pirolisi localizzata che la trasforma in una struttura a base di carbonio simile a un corallo. Questa morfologia tridimensionale riduce il percorso che le cariche devono compiere per essere raccolte, migliorando le prestazioni elettroniche. La sostituzione dei metalli con polimeri leggeri e da processi circolari è una delle componenti che caratterizzano la sostenibilità del processo: si utilizzano, infatti, matrici polimeriche da lolla di riso o cellulosa. Tutto questo riduce massa, costi e impatto ambientale.

C’è un ulteriore vantaggio, di carattere architetturale. La creazione di un collettore di corrente tridimensionale (simile per certi aspetti a una struttura simile al “a corallo”) invece che piatto, ottimizza la raccolta di carica e le prestazioni.

I prossimi passi

L’idea che ha portato proprio alla scrittura laser di grafene 3D per l’applicazione nei super condensatori non ha eguali al mondo. Finanziato con 150mila euro, il progetto SUPRALIG partirà a gennaio 2027 e terminerà a metà 2028. L’obiettivo è validare la tecnologia dei supercondensatori al grafene e il processo di scaling-up. L’ambito applicativo è vasto e include elettronica indossabile (compresi anche mouse, cuffie ecc.), ma anche automotive (mobilità elettrica e anche fuel cell a idrogeno) e si estende anche all’accumulo stazionario per fonti rinnovabili.

«Intendiamo portare questa tecnologia dal laboratorio a un TRL (Technology Readiness Level) più elevato. Se verrà dimostrata la fattibilità di sviluppare il processo, l’ambizione finale è creare una startup nel 2028», spiega Lamberti. Il fine è commercializzare questi nuovi collettori di corrente, posizionandosi in un mercato emergente che colma il divario prestazionale tra batterie tradizionali e supercondensatori.

* SUPRALIG (Sustainable and Ultra-PeRforming supercApacitors with 3D Laser-Induced Graphene)

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