La sfida di costruire un futuro energetico che preservi e migliori il pianeta è un'impresa enorme. Ma tutto dipende dalle particelle cariche che si muovono attraverso materiali invisibilmente piccoli.

Scienziati e politici hanno riconosciuto la necessità di un cambiamento urgente e sostanziale nei meccanismi mondiali di produzione e consumo di energia per arrestare il suo slancio verso il cataclisma ambientale. Una correzione di rotta di questa portata è certamente scoraggiante, ma un nuovo rapporto sul giornale Scienza suggerisce che il percorso tecnologico per raggiungere la sostenibilità è già stato tracciato, è solo questione di scegliere di seguirlo.

Il rapporto, scritto da un team internazionale di ricercatori, illustra come la ricerca nel campo dei nanomateriali per lo stoccaggio dell'energia negli ultimi due decenni abbia consentito il grande passo che sarà necessario per utilizzare fonti energetiche sostenibili.

"La maggior parte dei maggiori problemi che devono affrontare la spinta per la sostenibilità possono essere tutti legati alla necessità di un migliore accumulo di energia, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach presso il College of Engineering della Drexel University e autore principale dell'articolo. "Che si tratti di un più ampio utilizzo di fonti energetiche rinnovabili, stabilizzare la rete elettrica, gestire le esigenze energetiche della nostra onnipresente tecnologia intelligente e connessa o trasferire i nostri trasporti verso l'elettricità:la domanda che dobbiamo affrontare è come migliorare la tecnologia di stoccaggio ed erogazione dell'energia. Dopo decenni di ricerca e sviluppo, la risposta a questa domanda può essere offerta dai nanomateriali."

Gli autori presentano un'analisi completa sullo stato della ricerca sull'immagazzinamento dell'energia che coinvolge i nanomateriali e suggeriscono la direzione che la ricerca e lo sviluppo devono prendere affinché la tecnologia raggiunga la fattibilità tradizionale.

La marmellata

Quasi tutti i piani per la sostenibilità energetica, dal Green New Deal all'Accordo di Parigi, alle varie politiche regionali sulle emissioni di carbonio, affermare la necessità di controllare il consumo di energia sfruttando al contempo nuove fonti rinnovabili, come l'energia solare ed eolica. Il collo di bottiglia per entrambi questi sforzi è la necessità di una migliore tecnologia di stoccaggio dell'energia.

Il problema con l'integrazione delle risorse rinnovabili nella nostra rete energetica è che è difficile gestire la domanda e l'offerta di energia data la natura imprevedibile della... natura. Così, sono necessari massicci dispositivi di accumulo di energia per accogliere tutta l'energia che viene generata quando splende il sole e soffia il vento e quindi essere in grado di erogarla rapidamente durante i periodi di alto consumo energetico.

"Più diventiamo bravi a raccogliere e immagazzinare energia, più saremo in grado di utilizzare fonti di energia rinnovabile di natura intermittente, " Disse Gogotsi. "Le batterie sono come il silo del contadino:se non è abbastanza grande e costruito in modo da preservare i raccolti, allora potrebbe essere difficile superare un lungo inverno. Nel settore energetico in questo momento, si potrebbe dire che stiamo ancora cercando di costruire il silo giusto per il nostro raccolto, ed è qui che i nanomateriali possono aiutare".

la correzione

Sbloccare il blocco dell'accumulo di energia è stato un obiettivo concordato per gli scienziati che applicano i principi dell'ingegneria alla creazione e manipolazione di materiali a livello atomico. I loro sforzi solo nell'ultimo decennio, che sono stati evidenziati nella relazione, hanno già migliorato le batterie che alimentano gli smartphone, computer portatili e auto elettriche.

"Molti dei nostri più grandi successi nello stoccaggio di energia negli ultimi anni sono dovuti all'integrazione di nanomateriali, " Gogotsi ha detto. "Le batterie agli ioni di litio utilizzano già nanotubi di carbonio come additivi conduttivi negli elettrodi della batteria per farli caricare più velocemente e durare più a lungo. E un numero crescente di batterie utilizza particelle di nano-silicio nei loro anodi per aumentare la quantità di energia immagazzinata.

L'introduzione dei nanomateriali è un processo graduale e in futuro vedremo sempre più materiali su scala nanometrica all'interno delle batterie".

Progettazione della batteria, per molto tempo, si è basata principalmente sulla ricerca di materiali energetici progressivamente migliori e sulla loro combinazione per immagazzinare più elettroni. Ma, più recentemente, gli sviluppi tecnologici hanno permesso agli scienziati di progettare i materiali dei dispositivi di accumulo di energia per servire meglio queste funzioni di trasmissione e immagazzinamento.

Questo processo, chiamato nanostrutturazione, introduce particelle, tubi, scaglie e pile di materiali su scala nanometrica come i nuovi componenti delle batterie, condensatori e supercondensatori. La loro forma e struttura atomica possono accelerare il flusso degli elettroni, il battito cardiaco dell'energia elettrica. E la loro ampia superficie fornisce più posti di riposo per le particelle cariche.

L'efficacia dei nanomateriali ha persino consentito agli scienziati di ripensare il design di base delle batterie stesse. Con materiali nanostrutturati a conduzione metallica che garantiscono che gli elettroni possano fluire liberamente durante la carica e la scarica, le batterie possono perdere un bel po' di peso e dimensioni eliminando i collettori di corrente a lamina metallica che sono necessari nelle batterie convenzionali. Di conseguenza, la loro forma non è più un fattore limitante per i dispositivi che alimentano.

Le batterie si stanno riducendo, ricarica più veloce, durano più a lungo e si consumano lentamente, ma possono anche essere massicci, carica progressivamente, immagazzinare enormi quantità di energia per lunghi periodi di tempo e distribuirla su richiesta.

"È un momento molto entusiasmante per lavorare nel settore dei materiali per lo stoccaggio di energia su scala nanometrica, " disse Ekaterina Pomerantseva, dottorato di ricerca, professore associato presso il College of Engineering e coautore del documento. "Ora abbiamo più nanoparticelle disponibili che mai e con composizioni diverse, forme e proprietà note. Queste nanoparticelle sono proprio come i mattoncini Lego, e devono essere messi insieme in modo intelligente per produrre una struttura innovativa con prestazioni superiori a qualsiasi dispositivo di accumulo di energia attuale. Ciò che rende questo compito ancora più accattivante è il fatto che, a differenza dei Lego, non è sempre chiaro come diverse nanoparticelle possano essere combinate per creare architetture stabili. E poiché queste architetture su nanoscala desiderate diventano sempre più avanzate, questo compito diventa sempre più impegnativo, innescando il pensiero critico e la creatività degli scienziati".

Il futuro

Gogotsi ei suoi coautori suggeriscono che sfruttare la promessa dei nanomateriali richiederà l'aggiornamento di alcuni processi di produzione e la continua ricerca su come garantire la stabilità dei materiali man mano che le loro dimensioni aumentano.

"Il costo dei nanomateriali rispetto ai materiali convenzionali è un grosso ostacolo, e sono necessarie tecniche di produzione a basso costo e su larga scala, " Ha detto Gogotsi. "Ma questo è già stato realizzato per i nanotubi di carbonio con centinaia di tonnellate di produzione per le esigenze dell'industria delle batterie in Cina. Il pretrattamento dei nanomateriali in questo modo consentirebbe l'uso delle attuali apparecchiature per la produzione di batterie".

Notano inoltre che l'uso di nanomateriali eliminerebbe la necessità di alcuni materiali tossici che sono stati componenti chiave delle batterie. Ma suggeriscono anche di stabilire standard ambientali per lo sviluppo futuro dei nanomateriali.

"Ogni volta che gli scienziati considerano nuovi materiali per lo stoccaggio di energia, dovrebbero sempre tenere conto della tossicità per l'uomo e per l'ambiente, anche in caso di incendio accidentale, incenerimento o smaltimento nei rifiuti, " disse Gogotsi.

Cosa significa tutto questo, secondo gli autori, è che la nanotecnologia sta rendendo lo stoccaggio dell'energia abbastanza versatile da evolvere con il cambiamento nell'approvvigionamento energetico richiesto dalle politiche lungimiranti.