Rispetto ai supercondensatori e alle batterie, Gli SMC (con tre diversi spessori degli elettrodi mostrati) offrono sia un'elevata densità di potenza che un'elevata densità di energia. Copyright immagine:Jang, et al. ©2011 Società Chimica Americana
(PhysOrg.com) -- Ha tutte le sembianze di una svolta nella tecnologia delle batterie, tranne che non è una batteria. Ricercatori presso Nanotek Instruments, Inc., e la sua controllata Angtron Materials, Inc., a Dayton, Ohio, hanno sviluppato un nuovo paradigma per la progettazione di dispositivi di accumulo di energia che si basa sul trasferimento rapido di un gran numero di ioni di litio tra elettrodi con enormi superfici di grafene. Il dispositivo di accumulo di energia potrebbe rivelarsi estremamente utile per i veicoli elettrici, dove potrebbe ridurre il tempo di ricarica da ore a meno di un minuto. Altre applicazioni potrebbero includere lo stoccaggio di energia rinnovabile (ad esempio, immagazzinare energia solare ed eolica) e reti intelligenti.
I ricercatori chiamano i nuovi dispositivi "celle a scambio di ioni di litio abilitate alla superficie del grafene, "o più semplicemente, "cellule mediate dalla superficie" (SMC). Sebbene i dispositivi attualmente utilizzino materiali e configurazioni non ottimizzati, possono già superare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio e dei supercondensatori. I nuovi dispositivi possono erogare una densità di potenza di 100 kW/kg di cella, che è 100 volte superiore a quello delle batterie commerciali agli ioni di litio e 10 volte superiore a quello dei supercondensatori. Maggiore è la densità di potenza, maggiore è la velocità di trasferimento dell'energia (con conseguente tempi di ricarica più rapidi). Inoltre, le nuove celle possono immagazzinare una densità energetica di 160 Wh/kg cella, che è paragonabile alle batterie commerciali agli ioni di litio e 30 volte superiore a quella dei supercondensatori convenzionali. Maggiore è la densità di energia, più energia il dispositivo può immagazzinare per lo stesso volume (con conseguente maggiore autonomia di guida per i veicoli elettrici).
“Dato lo stesso peso del dispositivo, l'attuale SMC e la batteria agli ioni di litio possono fornire un veicolo elettrico (EV) con un'autonomia comparabile, "Bor Z. Jang, co-fondatore di Nanotek Instruments e Angstron Materials, detto PhysOrg.com . “I nostri SMC, proprio come le attuali batterie agli ioni di litio, può essere ulteriormente migliorato in termini di densità energetica [e quindi di portata]. Però, in linea di principio, la SMC può essere ricaricata in pochi minuti (possibilmente meno di un minuto), rispetto alle ore per le batterie agli ioni di litio utilizzate negli attuali veicoli elettrici”.
Jang e i suoi coautori di Nanotek Instruments e Angstron Materials hanno pubblicato lo studio sui dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione in un recente numero di Nano lettere . Entrambe le società sono specializzate nella commercializzazione di nanomateriali, con Angstron che è il più grande produttore mondiale di piastrine di nanografene (NGP).
Come spiegano i ricercatori nel loro studio, batterie e supercondensatori hanno ciascuno i propri punti di forza e di debolezza quando si tratta di accumulo di energia. Mentre le batterie agli ioni di litio forniscono una densità di energia molto più elevata (120-150 Wh/kg cellula ) rispetto ai supercondensatori (5 Wh/kg cellula ), le batterie forniscono una densità di potenza molto più bassa (1 kW/kg cellula rispetto a 10 kW/kg cellula ). Molti gruppi di ricerca hanno compiuto sforzi per aumentare la densità di potenza delle batterie agli ioni di litio e aumentare la densità di energia dei supercondensatori, ma entrambe le aree hanno ancora sfide significative. Fornendo un quadro fondamentalmente nuovo per i dispositivi di accumulo di energia, gli SMC potrebbero consentire ai ricercatori di aggirare queste sfide.
“Lo sviluppo di questa nuova classe di dispositivi di accumulo di energia colma il divario di prestazioni tra una batteria agli ioni di litio e un supercondensatore, "ha detto Jang. “Più significativamente, questa struttura fondamentalmente nuova per la costruzione di dispositivi di accumulo di energia potrebbe consentire ai ricercatori di raggiungere sia l'elevata densità di energia che l'elevata densità di potenza senza dover sacrificare l'una per ottenere l'altra.
Le ampie aree superficiali degli elettrodi degli SMC consentono il rapido trasferimento di un gran numero di ioni tra gli elettrodi, con conseguente rapido tempo di ricarica. Copyright immagine:Jang, et al. ©2011 Società Chimica Americana
La chiave per le prestazioni degli SMC è un catodo e un anodo che contengono superfici di grafene molto grandi. Quando si fabbrica la cella, i ricercatori hanno messo il litio metallico (sotto forma di particelle o lamina) all'anodo. Durante il primo ciclo di scarica, il litio è ionizzato, risultando in un numero molto maggiore di ioni di litio rispetto alle batterie agli ioni di litio. Poiché la batteria viene utilizzata, gli ioni migrano attraverso un elettrolita liquido al catodo, dove gli ioni entrano nei pori e raggiungono la grande superficie di grafene all'interno del catodo. Durante la ricarica, un massiccio flusso di ioni di litio migra rapidamente dal catodo all'anodo. Le ampie aree superficiali degli elettrodi consentono il rapido trasferimento di un gran numero di ioni tra gli elettrodi, con conseguente loro elevata potenza e densità di energia.
Come spiegano i ricercatori, lo scambio di ioni di litio tra le superfici degli elettrodi porosi (e non nella massa dell'elettrodo, come nelle batterie) elimina completamente la necessità del lungo processo di intercalazione. In questo processo, gli ioni di litio devono essere inseriti all'interno degli elettrodi, che domina il tempo di ricarica delle batterie.
Sebbene in questo studio i ricercatori abbiano preparato diversi tipi di grafene (ossidato, e ridotto monostrato e multistrato) da una varietà di diversi tipi di grafite, sono necessarie ulteriori analisi dei materiali e della configurazione per ottimizzare il dispositivo. Per una cosa, i ricercatori hanno in programma di indagare ulteriormente sulla durata del ciclo delle cellule. Finora, hanno scoperto che i dispositivi potevano mantenere il 95% della capacità dopo 1, 000 cicli, e anche dopo 2, 000 cicli non hanno mostrato segni di formazione di dendriti. I ricercatori hanno anche in programma di studiare i ruoli relativi dei diversi meccanismi di stoccaggio del litio sulle prestazioni del dispositivo.
“Non prevediamo alcun grosso ostacolo alla commercializzazione della tecnologia SMC, "ha detto Jang. “Sebbene il grafene sia attualmente venduto a un prezzo premium, Materiali Angstron, Inc., è attivamente impegnata nell'aumento della capacità di produzione di grafene. I costi di produzione del grafene dovrebbero essere drasticamente ridotti entro i prossimi 1-3 anni”.
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