La ricerca condotta da uno scienziato di Stanford promette di aumentare le prestazioni dei dispositivi di archiviazione elettrica ad alta potenza, come le batterie delle auto.

Nel lavoro pubblicato questa settimana in Lettere di fisica applicata , i ricercatori descrivono un modello matematico per la progettazione di nuovi materiali per immagazzinare elettricità. Il modello potrebbe essere un enorme vantaggio per i chimici e gli scienziati dei materiali, che tradizionalmente si affidano a tentativi ed errori per creare nuovi materiali per batterie e condensatori. Il progresso di nuovi materiali per lo stoccaggio dell'energia è un passo importante verso la riduzione delle emissioni di carbonio nei settori dei trasporti e dell'elettricità.

"Il potenziale qui è che potresti costruire batterie che durano molto più a lungo e renderle molto più piccole, " ha detto il coautore dello studio Daniel Tartakovsky, un professore della Scuola della Terra, Scienze energetiche e ambientali. "Se potessi progettare un materiale con una capacità di stoccaggio di gran lunga superiore a quella che abbiamo oggi, allora potresti migliorare notevolmente le prestazioni delle batterie."

Abbassare una barriera

Uno dei principali ostacoli alla transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili è la capacità di immagazzinare energia per un uso successivo, come durante le ore in cui il sole non splende nel caso dell'energia solare. Domanda a buon mercato, lo stoccaggio efficiente è aumentato poiché sempre più aziende si rivolgono a fonti di energia rinnovabile, che offrono vantaggi significativi per la salute pubblica.

Tartakovsky spera che i nuovi materiali sviluppati attraverso questo modello miglioreranno i supercondensatori, un tipo di accumulo di energia di nuova generazione che potrebbe sostituire le batterie ricaricabili in dispositivi ad alta tecnologia come telefoni cellulari e veicoli elettrici. I supercondensatori combinano il meglio di ciò che è attualmente disponibile per l'accumulo di energia:batterie, che trattengono molta energia ma si caricano lentamente, e condensatori, che si caricano velocemente ma trattengono poca energia. I materiali devono essere in grado di resistere sia ad alta potenza che ad alta energia per evitare rotture, esplodere o prendere fuoco.

"Le attuali batterie e altri dispositivi di accumulo sono un grosso collo di bottiglia per la transizione verso l'energia pulita, " ha detto Tartakovsky. "Ci sono molte persone che lavorano su questo, ma questo è un nuovo approccio per guardare al problema".

I tipi di materiali ampiamente utilizzati per sviluppare l'accumulo di energia, noti come materiali nanoporosi, sembrano solidi all'occhio umano ma contengono fori microscopici che conferiscono loro proprietà uniche. Sviluppare nuovi, possibilmente migliori materiali nanoporosi ha, fino ad ora, è stata una questione di tentativi ed errori:disporre minuscoli granelli di silice di diverse dimensioni in uno stampo, riempiendo lo stampo con una sostanza solida e poi sciogliendo i grani per creare un materiale contenente tanti piccoli fori. Il metodo richiede un'ampia pianificazione, lavoro, sperimentazione e modifiche, senza garantire che il risultato finale sarà la migliore opzione possibile.

"Abbiamo sviluppato un modello che consentisse ai chimici dei materiali di sapere cosa aspettarsi in termini di prestazioni se i grani sono disposti in un certo modo, senza passare per questi esperimenti, " ha detto Tartakovsky. "Questo quadro mostra anche che se disponi i tuoi grani come suggerisce il modello, allora otterrai il massimo delle prestazioni."

Oltre l'energia

L'energia è solo un'industria che fa uso di materiali nanoporosi, e Tartakovsky ha detto che spera che questo modello sarà applicabile in altre aree, anche.

"Questa particolare applicazione è per l'accumulo elettrico, ma potresti anche usarlo per la desalinizzazione, o qualsiasi purificazione a membrana, " ha detto. "Il framework ti permette di gestire chimica diversa, in modo da poterlo applicare a qualsiasi materiale poroso che progetti."

La ricerca sui modelli matematici di Tartakovsky abbraccia le neuroscienze, sviluppo urbano, medicina e altro. Come scienziato della Terra e professore di ingegneria delle risorse energetiche, è un esperto nel flusso e nel trasporto di mezzi porosi, conoscenze spesso sottoutilizzate in tutte le discipline, Egli ha detto. L'interesse di Tartakovsky per l'ottimizzazione del design della batteria derivava dalla collaborazione con un team di ingegneria dei materiali presso l'Università di Nagasaki in Giappone.

"Questo mio collaboratore giapponese non aveva mai pensato di parlare con gli idrologi, " Tartakovsky ha detto. "Non è ovvio a meno che tu non faccia equazioni - se fai equazioni, allora capisci che questi sono problemi simili."