Un nuovo supercondensatore pieghevole in grafene, che si carica in modo rapido e sicuro immagazzina un livello di energia record per l'uso per un lungo periodo. Credito:Dr Zhuangnan Li (UCL)
Mentre nella fase di prova del concetto, mostra un enorme potenziale come alimentatore portatile in diverse applicazioni pratiche tra cui veicoli elettrici, telefoni e tecnologia indossabile.
La scoperta, pubblicato oggi in Energia della natura , supera il problema affrontato dall'alta potenza, supercondensatori a carica rapida, che di solito non possono contenere una grande quantità di energia in un piccolo spazio.
Primo autore dello studio, Dr. Zhuangnan Li (Chimica dell'UCL), ha dichiarato:"Il nostro nuovo supercondensatore è estremamente promettente per la tecnologia di accumulo di energia di prossima generazione in sostituzione dell'attuale tecnologia delle batterie, o da usare insieme ad esso, per fornire all'utente più potenza.
"Abbiamo progettato materiali che darebbero al nostro supercondensatore un'elevata densità di potenza, ovvero la velocità con cui può caricarsi o scaricarsi, e un'elevata densità di energia, che determinerà per quanto tempo potrà funzionare. Normalmente, puoi avere solo una di queste caratteristiche ma il nostro supercondensatore fornisce entrambe, che è una svolta fondamentale.
"Inoltre, il supercondensatore può piegarsi a 180 gradi senza influire sulle prestazioni e non utilizza un elettrolita liquido, che riduce al minimo qualsiasi rischio di esplosione e lo rende perfetto per l'integrazione in telefoni flessibili o dispositivi elettronici indossabili."
Un team di chimici, ingegneri e fisici hanno lavorato al nuovo design, che utilizza un innovativo materiale per elettrodi in grafene con pori che possono essere modificati di dimensioni per immagazzinare la carica in modo più efficiente. Questa messa a punto massimizza la densità di energia del supercondensatore a un record di 88,1 Wh/L (Watt-ora per litro), che è la densità di energia più alta mai riportata per i supercondensatori a base di carbonio.
Una tecnologia commerciale simile a ricarica rapida ha una densità energetica relativamente scarsa di 5-8 Wh/L e le tradizionali batterie piombo-acido a ricarica lenta ma di lunga durata utilizzate nei veicoli elettrici hanno in genere 50-90 Wh/L.
Un nuovo supercondensatore pieghevole in grafene può piegarsi a 180 gradi senza influire sulle prestazioni e non utilizza un elettrolita liquido, che riduce al minimo il rischio di esplosione e lo rende perfetto per l'integrazione in telefoni flessibili o dispositivi elettronici indossabili. Credito:Dr Zhuangnan Li (UCL)
Mentre il supercondensatore sviluppato dal team ha una densità di energia paragonabile al valore allo stato dell'arte delle batterie al piombo, la sua densità di potenza è di due ordini di grandezza superiore a oltre 10, 000 Watt per litro.
Autore senior e preside di scienze matematiche e fisiche dell'UCL, Professor Ivan Parkin (UCL Chimica), ha dichiarato:"Immagazzinare con successo un'enorme quantità di energia in modo sicuro in un sistema compatto è un passo significativo verso una migliore tecnologia di accumulo dell'energia. Abbiamo dimostrato che si carica rapidamente, possiamo controllare la sua uscita e ha un'eccellente durata e flessibilità, rendendolo ideale per lo sviluppo per l'uso in elettronica miniaturizzata e veicoli elettrici. Immagina di aver bisogno di soli dieci minuti per caricare completamente la tua auto elettrica o un paio di minuti per il tuo telefono e che duri tutto il giorno."
I ricercatori hanno realizzato elettrodi da più strati di grafene, creando un denso, ma materiale poroso in grado di intrappolare ioni carichi di diverse dimensioni. Lo hanno caratterizzato utilizzando una serie di tecniche e hanno scoperto che funzionava meglio quando le dimensioni dei pori corrispondevano al diametro degli ioni nell'elettrolita.
Il materiale ottimizzato, che forma un film sottile, è stato utilizzato per costruire un dispositivo proof-of-concept con un'elevata potenza e un'elevata densità di energia.
Il supercondensatore di 6 cm x 6 cm è stato realizzato con due elettrodi identici disposti su entrambi i lati di una sostanza gelatinosa che ha agito come mezzo chimico per il trasferimento di carica elettrica. Questo è stato utilizzato per alimentare dozzine di diodi a emissione di luce (LED) ed è risultato essere molto robusto, flessibile e stabile.
Anche quando piegato a 180 gradi, si è comportato quasi come quando era piatto, e dopo 5, 000 cicli, ha mantenuto il 97,8% della sua capacità.
autore senior, Professor Feng Li (Accademia cinese delle scienze), ha detto:"Nei prossimi trent'anni, il mondo della tecnologia intelligente accelererà, che cambierà notevolmente la comunicazione, trasporti e la nostra vita quotidiana. Rendendo più intelligente lo stoccaggio dell'energia, i dispositivi ci diventeranno invisibili lavorando automaticamente e interattivamente con gli elettrodomestici. Le nostre celle intelligenti sono un ottimo esempio di come l'esperienza dell'utente potrebbe essere migliorata e mostrano un enorme potenziale come alimentatore portatile nelle applicazioni future."
