la grafite nelle batterie

la grafite nelle batterie

polvere di grafite e batterie

La grafite nelle batterie

Oggi raccontiamo di un componente fondamentale per le batterie agli ioni di litio o batterie Li-Ion, che le rende potenti e ne permette insieme al litio il funzionamento di carica e scarica: questo materiale é la grafite, importante non solo negli accumulatori al litio, nelle componenti elettroniche e molto altro ancora.

A cosa serve la grafite? Oltre ad essere utilizzata in molte nuove tecnologie, anche nelle semplici matite che utilizziamo tutti i giorni, la grafite nelle batterie li-ion ricaricabili è una componente fondamentale, in prevalenza per la sua caratteristica chimica e la sua struttura che la rende un buon materiale per la costruzione degli elettrodi.

La struttura grafite in natura breve introduzione

Che cos’è 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.

Le caratteristiche chimiche della grafite resistenza e stabilità

Estremamente lavorabile, anche se molto resistente alle temperature abbastanza elevate (3600 gradi Celsius), può subire processi di ossidazione se sottoposta a temperature eccessive o in situazioni di contatto con sostanze reattive come l’ossigeno. La grafite ha un peso inferiore per la sua densità rispetto a molti materiali, quindi é un minerale leggero; é più pesante però del litio e come quest’ultimo abbondante in natura.

La sua leggerezza é una proprietà apprezzabile nella costruzione di batterie, soprattutto se parliamo di batterie per veicoli elettrici in cui ne servono tante per dare potenza ed hanno grandi volumi. Chimicamente è stabile, significa che sottoposta a sollecitazioni ha un’ottima resistenza, per questo è affidabile nel processo di carica e scarica della batteria; difatti costituisce uno dei materiali più usati per la composizione dell’anodo.

minerale grafite sgretolato con batteria vicino

Differenza tra la grafite grafene

Il grafene é la parte del legame più forte, dove gli atomi di carbonio si legano formando una figura esagonale ed é la struttura che permette la conducibilità e l’alta resistenza. Una curiosità: fu scoperto da due scienziati, utilizzando un semplice nastro adesivo! Vi rimandiamo ad un articolo che approfondisce sia la grafite che il grafene a livello strutturale chimicamente parlando. “La rivoluzione del grafene”.

Le batterie al grafene

Le batterie al grafene sono già in produzione, é ancora una tecnologia allo stato primordiale che deve essere sperimentata e provata; anche se le promesse di un’ottima performance ci sono tutte, difficilmente per ora possono sostituire le batterie con anodo in grafite. Il costo poi é un punto a sfavore, perché molto più costosa rispetto alla grafite che al contrario, é economica; questo significa che usata in grande quantità diventa un costo elevato.

Chi ha il monopolio della produzione di 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 e della raffinazione, oltre che produttore di grafite sintetica, più performante di quella naturale e decisamente più costosa.

La Cina ancora attore principale

Il Ministero del commercio cinese, nei mesi passati, annunciando che dal 2024 :“verranno imposte restrizioni sull’esportazione di alcune tipologie di grafite”, ha inevitabilmente provocato dissensi in tutto il mondo, soprattutto da parte di Stati che hanno improntato politiche di produzione interna di auto elettriche, come gli Stati Uniti, Giappone, ed anche l’Europa.

Senza inoltrarci sul perché della scelta di limitare l’esportazione, che può derivare da motivi sia strategici che politici, possiamo notare che la manovra ha una certa discrezionalità, i permessi nell’esportazione dei minerali suonano come una conferma del vantaggio produttivo della Cina sulle batterie. Allo stato attuale la manovra porta loro ancora più vantaggio competitivo rispetto al resto del mondo.

La grafite come il Litio, materiali necessario per la transizione energetica

La grafite come il litio fa parte di una lista di materiali chiamati “critici”, come il litio, 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.

Ci troviamo difronte ad una situazione complicata; la Cina ha una produzione mondiale del 64,64%, (potete consultare la mappa interattiva in fondo al nostro articolo), ed ha quasi il monopolio totale della sua raffinazione, si parla di circa il 99%; questo pone il problema della reperibilità, come per le altre materie prime critiche e probabilmente anche del costo, che potrebbe aumentare in uno scenario di bisogno così forte.

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. Come abbiamo accennato sopra, 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.

batterie secondarie li-ion litio ioni 3.7V
batterie secondarie ricaricabili chimica litio ioni sono batterie utilizzate per lampade torce, sigarette elettroniche etc.

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.

Perché si preferisce la grafite

Spiegando a grandi linee il funzionamento della grafite nella batteria, possiamo pensare ad un movimento degli ioni di litio, durante la carica, dal catodo (positivo) all’anodo (negativo) composto da grafite che accoglie nei suoi strati questi elettroni (intercalare), nel momento della scarica gli strati rilasciano gli ioni che dall’anodo passano attraverso l’elettrolita e arrivano al catodo rilasciando energia. Questo processo nelle batterie secondarie (ricaricabili) avviene molteplici volte, gli strati di grafite permettono l’intercalazione degli ioni molte e molte volte, avendo come detto sopra una struttura lamellare che ne facilita il passaggio e le immagazzina.

Anche nelle batterie alcaline è presente la grafite in uno degli elettrodi, solitamente in abbinamento a polveri di zinco nell’anodo, mentre nel catodo c’è biossido di manganese. Fornisce anche qui un substrato che permette l’ossidazione dello zinco durante la scarica.

Mentre nelle batterie al piombo non costituisce materiale per gli elettrodi, viene usata in alcune tipologie di connettori e nei separatori interni per una migliore conduzione.

L’importanza delle batterie con e senza grafite

È essenziale pensare che nella metà delle batterie in commercio si utilizza grafite. Per il nostro lavoro, permeato nella creazione di batterie, ogni tipologia è preziosa che abbia o no grafite.

Gli utilizzi sono infiniti, dalle tecnologie industriali ai macchinari fondamentali, pensiamo ai peacemaker o ai defibrillatori, ogni interruzione di elettricità è sopperita da una batteria che permette di continuare il funzionamento necessario di alcuni macchinari, cosa succederebbe se improvvisamente divenisse impossibile produrre macchinari per via della carenza di reperibilità di un materiale così importante? Questo scenario potrebbe esistere per molte altre tipologie di materie prime che sono alla base della produzione delle nuove tecnologie, come ne parliamo sull’articolo del litio e del ciclo di vita delle batterie.

Come intervenire per sopperire alla futura mancanza della grafite?

Le nuove tecnologie che adottano anodi senza grafite sono ancora in sperimentazione ed hanno necessità di tempi lunghi, per le sperimentazioni e la fattibilità.

Sono presenti siti di estrazione in diverse regioni del mondo, ma ci vorrà del tempo prima che si arrivi ad organizzare e far funzionare queste miniere e il duemila ventiquattro è alle porte. Senza dimenticare che la Cina ha il monopolio anche della lavorazione e trasformazione della grafite stessa, con molte aziende che si occupano di lavorarla per renderla pronta all’uso.

La possibilità di uno stop sulla produzione tecnologica

Ipotizzare di incorrere ad uno stop della produzione di batterie agli ioni di litio è da scongiurare. Purtroppo il mercato delle energie rinnovabili ha molti colli di bottiglia che ne limitano la crescita e l’incertezza sulla reperibilità di questi materiali fondamentali per la maggior parte delle tecnologie, che dovrebbero portare alla decarbonizzazione del pianeta e alla sostituzione del petrolio, peggiora la situazione attuale.

Ci sono molti punti interrogativi su cosa accadrà da qui ai prossimi decenni, ma la produzione di batterie é il focus per la transizione ecologica e lo sviluppo di energie sostenibili.

Le proposte di intervento

Ora è importante pensare ed agire velocemente; tra le tante proposte dei vari governi si legge soprattutto l’intenzione di utilizzare le nuove miniere per l’estrazione di questo minerale; ma ancora, creare buone strutture di riciclo, dove sia possibile estrarre il litio dalle batterie oramai non più funzionanti non sembra essere una soluzione preventivata.

A noi viene da pensare che  puntare, anche, sulla tecnologia del riciclo sarebbe una delle migliori opzioni, in termini di tempo e di costo. Se ne parla da tanto tempo. Sicuramente le tempistiche sono lunghe, ma sarebbe un ottimo investimento nel lungo termine, un ottimo investimento per il pianeta.

Le estrazioni di questi metalli, non solo la grafite, hanno un impatto sempre negativo a livello ambientale e creare un’economia circolare di questi elementi fondamentali per la produzione di tantissimi dispositivi, non solo per le auto elettriche, sarebbe una buona soluzione, ma anche qui il tempo per attuare questi cambiamenti, è più che mai “prezioso”.

Le nostre considerazioni

Vedremo l’evolversi delle situazioni nei prossimi mesi e se si riuscirà a creare attraverso questa crisi, nuove opportunità di crescita, come l’Europa ha sempre fatto e pare ultimamente essersene dimenticata.

Vi lasciamo

Mappa interattiva dei giacimenti.

Molto interessante dove è possibile, selezionando il tipo di minerale, conoscere i dati relativi alla produzione nel mondo dei metalli rari, tra cui la grafite.

grafite tecnobattery

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Mappa interattiva dei giacimenti climateminerals.org

grafico che mostra la produzione mondiale di grafite e altro che mostra la riserva mondiale di grafite, da climateminerals.org