L'esclusivo array 3D di nanopori in carbonio modellato con zeolite consente di utilizzarlo come elettrodo per supercondensatori ad alte prestazioni che hanno un'elevata capacità e tempi di ricarica rapidi. Credito immagine:Hiroyuki Itoi, et al. ©2011 Società Chimica Americana.
(PhysOrg.com) -- Al fine di sviluppare veicoli elettrici di prossima generazione, sistemi di energia solare, e altre tecnologie energetiche pulite, i ricercatori hanno bisogno di un modo efficiente per immagazzinare l'energia. Uno dei principali dispositivi di accumulo di energia per queste e altre applicazioni è un supercondensatore, chiamato anche condensatore elettrico a doppio strato. In un recente studio, gli scienziati hanno studiato la possibilità di utilizzare un materiale chiamato carbonio a forma di zeolite per l'elettrodo in questo tipo di condensatore, e ha scoperto che l'esclusiva struttura dei pori del materiale migliora notevolmente le prestazioni complessive del condensatore.
I ricercatori, Hiroyuki Itoi, Hirotomo Nishihara, Taichi Kogure, e Takashi Kyotani, dell'Università Tohoku di Sendai, Giappone, hanno pubblicato i loro risultati sul condensatore elettrico a doppio strato ad alte prestazioni in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
Per immagazzinare energia, il condensatore elettrico a doppio strato è caricato da ioni che migrano da una soluzione sfusa a un elettrodo, dove vengono assorbiti. Prima di raggiungere la superficie dell'elettrodo, gli ioni devono viaggiare attraverso nanopori stretti nel modo più rapido ed efficiente possibile. Fondamentalmente, più velocemente gli ioni possono viaggiare lungo questi percorsi, più velocemente il condensatore può essere caricato, con conseguente rendimento elevato. Anche, maggiore è la densità di ioni adsorbiti nell'elettrodo, maggiore è la carica che il condensatore può immagazzinare, con conseguente elevata capacità volumetrica.
Recentemente, gli scienziati hanno testato materiali con pori di varie dimensioni e strutture per cercare di ottenere sia un trasporto rapido di ioni che un'elevata densità di ioni di adsorbimento. Ma i due requisiti sono alquanto contraddittori, poiché gli ioni possono viaggiare più rapidamente attraverso nanopori più grandi, ma i grandi nanopori rendono bassa la densità dell'elettrodo e quindi diminuiscono la densità degli ioni adsorbiti.
“In questo lavoro, abbiamo dimostrato con successo che è possibile soddisfare le due esigenze apparentemente contraddittorie, alta densità di potenza e alta capacità volumetrica, con carbonio temprato in zeolite, ” ha detto Nishihara PhysOrg.com .
Il carbonio a forma di zeolite è costituito da nanopori che hanno un diametro di 1,2 nm (più piccoli della maggior parte dei materiali per elettrodi) e che hanno una struttura molto ordinata (mentre altri pori possono essere disordinati e casuali). Le piccole dimensioni dei nanopori rendono elevata la densità di ioni adsorbiti, mentre la struttura ordinata - descritta come una struttura simile a un diamante - consente agli ioni di passare rapidamente attraverso i nanopori. In uno studio precedente, i ricercatori hanno dimostrato che il carbonio modellato con zeolite con nanopori inferiori a 1,2 nm non può consentire il trasporto rapido di ioni, suggerendo che questa dimensione può fornire l'equilibrio ottimale tra prestazioni ad alta velocità ed elevata capacità volumetrica.
Nei test, le proprietà del carbonio modellato con zeolite hanno superato quelle di altri materiali, dimostrando il suo potenziale per essere utilizzato come elettrodo per condensatori elettrici a doppio strato ad alte prestazioni.
“Stiamo ora cercando di aumentare ulteriormente la densità energetica del carbonio a forma di zeolite fino allo stesso livello delle batterie secondarie, Nishihara ha detto. “Se un tale condensatore elettrico a doppio strato viene sviluppato e utilizzato per dispositivi mobili, come i telefoni cellulari, il loro tempo di ricarica può essere ridotto a pochi minuti. Un'altra importante applicazione futura dei condensatori elettrici a doppio strato è il supporto delle batterie secondarie nei veicoli elettrici per prolungare la durata della batteria. Anche a questo scopo, raggiungere una maggiore densità energetica è una delle questioni chiave”.
Copyright 2010 PhysOrg.com.
Tutti i diritti riservati. Questo materiale non può essere pubblicato, trasmissione, riscritto o ridistribuito in tutto o in parte senza l'espresso permesso scritto di PhysOrg.com.
