I supercondensatori promettono la ricarica di telefoni e altri dispositivi in ​​secondi e minuti rispetto alle ore delle batterie. Ma le tecnologie attuali di solito non sono flessibili, avere capacità insufficienti, e per molti le loro prestazioni degradano rapidamente con i cicli di ricarica.

I ricercatori della Queen Mary University di Londra (QMUL) e dell'Università di Cambridge hanno trovato un modo per migliorare tutti e tre i problemi in un colpo solo.

Il loro prototipo di elettrodo polimerico, che ricorda un bastoncino di zucchero solitamente appeso a un albero di Natale, raggiunge lo stoccaggio di energia vicino al limite teorico, ma dimostra anche flessibilità e resilienza al ciclo di carica/scarica.

La tecnica potrebbe essere applicata a molti tipi di materiali per supercondensatori e consentire la ricarica rapida di telefoni cellulari, vestiti intelligenti e dispositivi impiantabili.

La ricerca è stata pubblicata su ACS Energy Letters .

La soluzione

La pseudocapacità è una proprietà dei supercondensatori polimerici e compositi che consente agli ioni di entrare all'interno del materiale e quindi imballare molta più carica rispetto a quelli di carbonio che immagazzinano principalmente la carica come ioni concentrati (nel cosiddetto doppio strato) vicino alla superficie.

Il problema con i supercondensatori polimerici, però, è che gli ioni necessari per queste reazioni chimiche possono accedere solo ai primi nanometri sotto la superficie del materiale, lasciando il resto dell'elettrodo come peso morto. La coltivazione di polimeri come nanostrutture è un modo per aumentare la quantità di materiale accessibile vicino alla superficie, ma questo può essere costoso, difficile da scalare, e spesso si traduce in una scarsa stabilità meccanica.

I ricercatori, però, hanno sviluppato un modo per intrecciare nanostrutture all'interno di un materiale sfuso, ottenendo così i vantaggi della nanostrutturazione convenzionale senza utilizzare metodi di sintesi complessi o sacrificare la tenacità del materiale.

Capo progetto, Stoyan Smoukov, ha spiegato:"I nostri supercondensatori possono immagazzinare molta carica molto rapidamente, perché il sottile materiale attivo (il polimero conduttivo) è sempre in contatto con un secondo polimero che contiene ioni, proprio come le sottili regioni rosse di un bastoncino di zucchero sono sempre in prossimità delle parti bianche. Ma questo è su una scala molto più piccola.

"Questa struttura compenetrante consente al materiale di piegarsi più facilmente, oltre a gonfiarsi e restringersi senza screpolarsi, portando a una maggiore longevità. Questo metodo è come uccidere non solo due, ma tre piccioni con una fava».

I risultati

Il gruppo Smoukov aveva precedentemente aperto la strada a un percorso combinatorio verso la multifunzionalità utilizzando reti polimeriche compenetranti (IPN) in cui ogni componente avrebbe una propria funzione, piuttosto che usare la chimica per tentativi ed errori per adattare tutte le funzioni in una molecola.

Questa volta hanno applicato il metodo all'accumulo di energia, in particolare supercondensatori, a causa del noto problema dello scarso utilizzo del materiale in profondità sotto la superficie dell'elettrodo.

Questa tecnica di compenetrazione aumenta drasticamente la superficie del materiale, o più precisamente l'area interfacciale tra i diversi componenti polimerici.

La compenetrazione risolve anche altri due importanti problemi nei supercondensatori. Offre flessibilità e robustezza perché le interfacce bloccano la crescita di eventuali crepe che possono formarsi nel materiale. Consente inoltre alle regioni sottili di gonfiarsi e restringersi ripetutamente senza sviluppare grandi sollecitazioni, quindi sono elettrochimicamente resistenti e mantengono le loro prestazioni per molti cicli di ricarica.

I ricercatori stanno attualmente progettando e valutando razionalmente una gamma di materiali che possono essere adattati nel sistema polimerico compenetrante per supercondensatori ancora migliori.

In una prossima recensione, accettato per la pubblicazione sulla rivista Sustainable Energy and Fuels, forniscono una panoramica delle diverse tecniche utilizzate dalle persone per migliorare i molteplici parametri richiesti per i nuovi supercondensatori.

Tali dispositivi potrebbero essere realizzati in pellicole autoportanti morbide e flessibili, che potrebbe alimentare l'elettronica incorporata nell'abbigliamento intelligente, dispositivi indossabili e impiantabili, e robotica morbida. Gli sviluppatori sperano di dare il loro contributo per fornire potenza onnipresente per i dispositivi Internet of Things (IoT) emergenti, che è ancora una sfida significativa davanti a sé.