Un aggiornamento sulla ricerca recentemente riportata sulle fibre di carbonio porose mostra come questo materiale può essere utilizzato in un ambiente industriale, segnando un passo importante dalla teoria all'applicazione.

Guoliang "Greg" Liu, un assistente professore di chimica presso il College of Science e membro del Macromolecules Innovation Institute, ha lavorato allo sviluppo di fibre di carbonio con strutture porose uniformi. In un articolo di giornale pubblicato di recente in Progressi scientifici , Liu ha spiegato in dettaglio come il suo laboratorio ha utilizzato copolimeri a blocchi per creare fibre di carbonio con mesopori uniformemente sparsi ovunque, simile a una spugna.

Solo una settimana dopo, Liu ha pubblicato l'ennesimo articolo, questa volta in Comunicazioni sulla natura . Il nuovo articolo mostra come le fibre di carbonio porose di Liu possono consentire un'elevata densità di energia e alte velocità di carica di elettroni/ioni, che in genere si escludono a vicenda nei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica.

"Questo è il prossimo passo che sarà rilevante per l'industria, " Liu ha detto. "Vogliamo fare un processo industriale. Ora l'industria dovrebbe considerare seriamente la fibra di carbonio non solo come materiale strutturale ma anche come piattaforma di stoccaggio dell'energia per le automobili, aerei, e altri."

Introduzione di materiali pseudocapacitivi

Le fibre di carbonio sono già ampiamente utilizzate nell'industria aerospaziale e automobilistica a causa delle loro elevate prestazioni in una varietà di settori, compresi resistenza meccanica e peso. La visione a lungo termine di Liu è quella di costruire i gusci esterni delle auto con fibre di carbonio porose che potrebbero immagazzinare energia all'interno dei pori.

Ma il carbonio da solo non è sufficiente. Sebbene sia un materiale strutturalmente primario, il carbonio non possiede una densità di energia sufficientemente elevata per creare supercondensatori per applicazioni altamente impegnative.

L'attuale standard del settore accoppia il carbonio con i cosiddetti materiali pseudocapacitivi, che sbloccano la capacità di immagazzinare una grande quantità di energia ma inducono un altro problema di bassa velocità di carica-scarica.

Un materiale pseudocapacitivo comunemente usato è l'ossido di manganese (MnO2) a causa del suo basso costo e delle prestazioni ragionevoli. Per caricare MnO2 su fibra di carbonio o altro materiale, Liu immerge le fibre in una soluzione di precursore KMnO4. Il precursore poi reagisce con il carbonio, asporta un sottile strato di carbonio, e si ancora al resto del carbonio, creando uno strato sottile di circa 2 nm di spessore.

Ma l'industria deve affrontare una sfida con l'MnO2. Troppo poco MnO2 significa che la capacità di stoccaggio è troppo bassa. Troppo MnO2 crea uno strato troppo spesso che è elettricamente isolante. E peggio, rallenta il trasporto degli ioni. Entrambi contribuiscono a rallentare i tassi di carica-scarica.

"Vogliamo accoppiare il carbonio con materiali pseudocapacitivi perché insieme hanno una densità di energia molto più alta del carbonio puro. Ora la domanda è come risolvere il problema della conduttività di elettroni e ioni, " ha detto Liù.

Però, Liu ha scoperto che le sue fibre di carbonio porose possono superare questa impasse. I test nel suo laboratorio hanno mostrato il meglio di entrambi i mondi:elevato carico di MnO2 e velocità di carica e scarica elevate sostenute.

Il laboratorio di Liu ha dimostrato di poter caricare fino a 7 mg/cm2 di MnO2 prima che le prestazioni diminuissero. È il doppio o quasi il triplo della quantità di MnO2 che l'industria può attualmente utilizzare.

"Abbiamo raggiunto l'84% del limite teorico di questo materiale con un carico di massa di 7 mg/cm2, " ha detto Liu. "Se carichi 7 mg/cm2 di altri materiali, non raggiungerai questo."

Applicazioni a breve termine

Alla velocità con cui il laboratorio di Liu pubblica i risultati, le auto alimentate da gusci esterni potrebbero essere qui prima di quanto pensiamo, ma Liu frena quell'idea.

"In una visione a lungo termine, potremmo sostituire la benzina solo con auto elettriche a supercondensatori, " Liu ha detto. "In questo momento, il minimo di ciò che potremmo fare è utilizzare questo come parte di accumulo di energia nelle auto".

Liu ha affermato che un'applicazione a breve termine potrebbe utilizzare le parti in fibra di carbonio per fornire molta energia in un breve periodo per accelerare le auto più velocemente.

Ma Liu sta anche guardando oltre l'industria automobilistica in altre applicazioni di trasporto.

"Se vuoi che un drone consegni prodotti per Amazon, vuoi che il drone porti più peso possibile, e vuoi che il drone sia il più leggero possibile, " Liu ha detto. "I droni a base di fibra di carbonio possono fare entrambi i lavori. Le fibre di carbonio sono materiali strutturali resistenti per il trasporto delle merci, e sono materiali di accumulo di energia per fornire energia per il trasporto".

La ricerca su questo materiale sta accelerando nel laboratorio di Liu, e ha detto che ha ancora molte altre idee da testare.

"Quello che credo è che le fibre di carbonio porose siano un materiale di piattaforma, " Liu ha detto. "Le prime due carte, ci siamo concentrati sullo stoccaggio di energia per i veicoli. Ma crediamo che questo materiale possa fare di più. Speriamo di poter raccontare presto altre storie".