Viviamo in tempi moderni, che è pieno di elettronica. Smartphone, computer portatili, compresse, e molti altri dispositivi necessitano di energia elettrica per funzionare. I dispositivi portatili hanno reso la nostra vita più facile, quindi sono auspicabili nuove soluzioni nell'energia pulita e nel suo stoccaggio. Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono le soluzioni più comuni che dominano il mercato globale e rappresentano un problema enorme a causa del loro insufficiente recupero. A causa del loro potere limitato, ciclo di vita breve, e natura non rispettosa dell'ambiente, gli scienziati si sono recentemente concentrati su nuove soluzioni come i supercondensatori che offrono molto di più delle batterie. Come mai? Diamo un'occhiata più da vicino a questi dispositivi.

I supercondensatori uniscono le proprietà di un condensatore standard e della batteria agli ioni di litio. In pratica, questi dispositivi immagazzinano più energia dei condensatori e forniscono energia più velocemente delle batterie. Il loro segreto sta dentro, nascondendo due componenti essenziali. Il primo è costituito da due elettrodi altamente porosi realizzati con il materiale che conduce l'elettricità; questi elettrodi sono separati da una membrana per evitare una scorciatoia. Il secondo è un elettrolita che svolge un ruolo cruciale nei supercondensatori. L'elettrolita ha molti ioni che sono vicini l'uno all'altro e riempiono i pori. Esistono due tipi di ioni:cationi con carica positiva e anioni con carica negativa.

Quando il dispositivo è acceso (la differenza di potenziale viene applicata tra questi due elettrodi), gli ioni iniziano a viaggiare dentro e fuori dai pori (cationi e anioni si muovono in direzioni opposte), e la corrente elettrica scorre. Uno dei materiali più comunemente usati che mantengono la porosità è il carbone attivo. Se i pori sono grandi, il dispositivo si carica velocemente ma immagazzina poca energia. Se i pori sono stretti, il dispositivo fornisce più energia ma si carica più lentamente. Significa che più piccolo è meglio? Sì, però, la velocità degli ioni pensava che il loro viaggio nei pori dovesse essere accelerato.

Recentemente, un gruppo internazionale guidato da Svyatoslav Kondrat dell'Istituto di Chimica Fisica, L'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) ha presentato un lavoro di ricerca che descrive come accelerare il trasporto di ioni nei pori stretti. Come mai? Per caricare il supercondensatore più velocemente. Prima di tutto, ricercatori si sono concentrati sulla teoria. Presentavano pori a fessura con una dimensione di circa 0,6 nm, questo è, 0,6 metri divisi in miliardi di pezzi, appena leggermente più grande dello ione stesso, mentre la sua lunghezza era inferiore a 20 nm. Che taglia piccola! È persino più piccolo dei virus.

Quando gli elettrodi sono polarizzati (il potenziale esterno viene applicato agli elettrodi per spingere gli ioni in particolari direzioni), gli ioni al di fuori dei pori si precipitano ai pori. Immagina che si muovano come macchine su un'autostrada, entrare in un tunnel molto stretto. Però, invece di due, tre, o quattro corsie che vanno in direzioni opposte, tutte le corsie sono unite. Quando le macchine vanno veloci, l'autostrada è molto affollata, e potrebbero bloccare rapidamente il tunnel e rimanere bloccati nel traffico. Lo stesso accade agli ioni. Quando la differenza di potenziale applicata a un elettrodo viene variata troppo velocemente, gli ioni che entrano nei pori dell'elettrodo bloccano gli ioni che cercano di uscire dai pori. In questo modo, i pori sono ostruiti. Cosa significa in pratica?

La cattiva notizia, significa carica più lenta (minore densità di potenza) del supercondensatore. I ricercatori hanno proposto la soluzione:non spingiamo gli ioni troppo velocemente ma, bene, anche non troppo lento; regoliamo la velocità di un piccolo passo. Sulla base della loro idea, hanno eseguito più complesse simulazioni al computer che hanno dato risultati promettenti. Quella era una teoria. E la pratica? Svyatoslav Kondrat dice, "Avevamo i risultati della simulazione, ed eravamo curiosi di sapere come funziona in pratica." Esperimenti eseguiti in Volker Presser (INM, Saarbrücken) utilizzava elettrodi altamente porosi riempiti di ioni. I ricercatori hanno dimostrato che gli ioni possono viaggiare più velocemente senza ostruire i pori se trattati con piccoli impulsi elettrici invece di caricarsi o scaricarsi bruscamente. Per di qua, hanno scoperto come accelerare i processi di carica e scarica anche se i pori dell'elettrodo sono stretti solo 0,6 nm. La ricerca è stata condotta nell'ambito di una collaborazione internazionale e riportata il 30 novembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Svyatoslav Kondrat dice, "I risultati sono incoraggianti. È entusiasmante che anche lo scarico possa essere accelerato. È come far uscire più velocemente le vostre auto dal tunnel, anche se hai il controllo solo sulle auto fuori dal tunnel. Questo è rilevante per alcuni processi come la desalinizzazione capacitiva dell'acqua, dove la velocità operativa è molto importante".

Le loro scoperte aprono nuove opportunità per accelerare enormemente la carica e la scarica anche nei pori subnanometrici. Questo approccio alla nuova applicazione della soluzione può fornire un nuovo percorso per un uso più diffuso di questi dispositivi elettrochimici rispettosi dell'ambiente.