Un gruppo di ricercatori della Drexel University ha creato un elettrodo in materiale simile al tessuto che potrebbe aiutare a rendere i dispositivi di accumulo di energia (batterie e supercondensatori) più veloci e meno soggetti a perdite o crolli disastrosi. Il loro progetto per un nuovo supercondensatore, che assomiglia a una spugna pelosa infusa di gelatina, offre un'alternativa unica alla soluzione elettrolitica infiammabile che è un componente comune in questi dispositivi.

Il fluido elettrolitico all'interno di batterie e supercondensatori può essere corrosivo o tossico ed è quasi sempre infiammabile. Per stare al passo con la nostra avanzata tecnologia mobile, i dispositivi di accumulo di energia sono stati soggetti a restringimento del materiale nel processo di progettazione, che li ha resi vulnerabili ai cortocircuiti, come nei casi recenti con i dispositivi Galaxy Note di Samsung, che, quando combinato con la presenza di un liquido elettrolitico infiammabile, può creare una situazione esplosiva.

Quindi, invece di una soluzione elettrolitica infiammabile, il dispositivo progettato da Vibha Kalra, dottorato di ricerca, un professore al College of Engineering di Drexel, e la sua squadra, ha utilizzato uno spesso elettrolita gel ricco di ioni assorbito in un tappetino autoportante di nanofibre di carbonio porose per produrre un dispositivo privo di liquidi. Il gruppo, che includeva l'assistente di dottorato di Kalra Sila Simotwo e i ricercatori del Tempio Stephanie L.Wunder, dottorato di ricerca, e Parameswara Chinnam, dottorato di ricerca, ha recentemente pubblicato il suo nuovo progetto per un "supercondensatore a stato solido senza solventi" sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce .

"Abbiamo completamente eliminato il componente che può prendere fuoco in questi dispositivi, " disse Kalra. "E, così facendo, abbiamo anche creato un elettrodo che potrebbe consentire ai dispositivi di accumulo di energia di diventare più leggeri e migliori".

I supercondensatori sono un altro tipo di dispositivo di accumulo di energia. Sono simili alle batterie, in quanto trattengono e rilasciano energia elettrostaticamente, ma nella nostra tecnologia:dispositivi mobili, computer portatili, auto elettriche:tendono a fungere da riserva di energia perché possono erogare l'energia immagazzinata in un rapido scatto, a differenza delle batterie che lo fanno per lunghi periodi di utilizzo. Ma, come batterie, i supercondensatori utilizzano una soluzione elettrolitica infiammabile, di conseguenza sono vulnerabili a perdite e incendi.

Non solo il supercondensatore del gruppo è privo di solventi, il che significa che non contiene liquidi infiammabili, ma il design compatto è anche più durevole e la sua capacità di accumulo di energia e durata di carica-scarica è migliore rispetto ai dispositivi comparabili attualmente in uso. È anche in grado di funzionare a temperature fino a 300 gradi Celsius, il che significa che renderebbe i dispositivi mobili molto più durevoli e con meno probabilità di diventare un rischio di incendio a causa di abusi.

"Per consentire lo spessore e il carico dell'elettrodo di rilevanza industriale, abbiamo sviluppato un elettrodo simile a un tessuto composto da nanofibre che fornisce una struttura tridimensionale a pori aperti ben definita per una facile infusione del precursore dell'elettrolita solido, "Kalra ha detto. "L'elettrodo a poro aperto è anche privo di agenti leganti che agiscono come isolanti e riducono le prestazioni".

La chiave per produrre questo dispositivo durevole è una struttura di elettrodi simili a fibre che il team ha creato utilizzando un processo chiamato elettrofilatura. Il processo deposita una soluzione polimerica precursore del carbonio sotto forma di una stuoia fibrosa estrudendola attraverso un campo elettrico rotante, un processo che, a livello microscopico, sembra qualcosa come fare zucchero filato.

Lo ionogel viene quindi assorbito nel tappetino in fibra di carbonio per creare una rete completa di elettrodi-elettroliti. Le sue eccellenti caratteristiche prestazionali sono anche legate a questo modo unico di combinare soluzioni di elettrodi ed elettroliti. Questo perché stanno entrando in contatto su una superficie più ampia.

Se pensi a un dispositivo di accumulo di energia come una ciotola di fiocchi di mais, quindi il luogo in cui avviene l'accumulo di energia è più o meno dove i fiocchi incontrano il latte:gli scienziati lo chiamano "doppio strato elettrico". È dove l'elettrodo conduttivo che immagazzina l'elettricità incontra la soluzione elettrolitica che trasporta la carica elettrica. Idealmente, nella tua ciotola di cereali, il latte si sarebbe fatto strada attraverso tutti i fiocchi per ottenere il giusto rivestimento su ciascuno, non troppo croccante e non troppo molliccio. Ma a volte i cereali si accumulano e il latte, o la soluzione elettrolitica, nel caso del nostro confronto, non arriva fino in fondo, così i fiocchi in cima sono asciutti, mentre i fiocchi sul fondo sono saturati. Questa non è una buona ciotola di cereali, e il suo equivalente elettrochimico, un ingorgo nel traffico di elettroni in rotta verso i siti di attivazione nell'elettrodo, non è l'ideale per l'accumulo di energia.

Il supercondensatore a stato solido di Kalra è come mettere il grano tritato nella ciotola, al posto dei cornflakes. L'architettura aperta lascia che il latte permei e ricopra il cereale, proprio come lo ionogel permea il tappetino in fibra di carbonio nel supercondensatore a stato solido di Kalra. Il tappetino fornisce una superficie maggiore per consentire agli ioni dello ionogel di accedere all'elettrodo, che aumenta la capacità e migliora le prestazioni del dispositivo di accumulo di energia. Elimina anche la necessità di molti dei materiali per impalcature che sono parti essenziali per formare l'elettrodo fisico, ma non giocano un ruolo nel processo di accumulo di energia e contribuiscono in buona parte al peso complessivo del dispositivo.

"Gli elettrodi all'avanguardia sono composti da polveri fini che devono essere miscelate con agenti leganti e trasformate in un impasto liquido, che viene poi applicato nel dispositivo. Questi leganti aggiungono peso morto al dispositivo, in quanto non sono materiali conduttivi, e di fatto ne ostacolano le prestazioni, " ha detto Kalra. "I nostri elettrodi sono indipendenti, eliminando così la necessità di leganti, la cui lavorazione può rappresentare fino al 20% del costo di produzione di un elettrodo".

Il prossimo passo per il gruppo di Kalra sarà l'applicazione di questa tecnica alla produzione di batterie allo stato solido e l'esplorazione della sua applicazione per i tessuti intelligenti.