(Phys.org)—Mentre la maggior parte dei veicoli elettrici di oggi si affida alle batterie per immagazzinare energia, i supercondensatori hanno goduto di miglioramenti significativi che li hanno resi seri concorrenti delle batterie. Le batterie tradizionalmente hanno il sopravvento in termini di capacità, poiché le basse capacità dei supercondensatori significano un'autonomia di guida molto ridotta per i veicoli elettrici. Il più grande vantaggio dei supercondensatori risiede nella loro densità di potenza molto più elevata rispetto alle batterie, consentendo un tempo di ricarica più rapido e la capacità di scaricare rapidamente per una rapida accelerazione.

Un nuovo studio di un gruppo di ricercatori dell'Università dell'Alberta e del National Research Council of Canada, sia in Alberta, Canada, ha dimostrato che i supercondensatori hanno un grande potenziale per continui miglioramenti.

I ricercatori hanno sintetizzato un nuovo materiale che chiamano grafene spugnoso a causa della sua struttura macroporosa 3D e hanno dimostrato che può essere utilizzato per realizzare elettrodi per supercondensatori. I supercondensatori con questi nuovi elettrodi hanno una discreta densità di energia quando funzionano a basse densità di potenza, ma la loro più grande attrazione è quando operano a densità di potenza ultraelevate di circa 48, 000 W/kg, dove sono in grado di fornire un'interessante densità energetica di 7,1 Wh/kg.

All'inizio, una densità di energia di 7,1 Wh/kg potrebbe non sembrare notevole rispetto alla densità di energia delle migliori batterie agli ioni di litio, come il record di 400 Wh/kg di Envia System annunciato all'inizio di quest'anno. Però, al fine di ridurre il tempo necessario per caricare le batterie agli ioni di litio per veicoli elettrici da ore a minuti, le batterie devono avere una densità di potenza maggiore rispetto ai loro valori migliori attuali di circa 10, 000 W/kg. Quindi il 48, 000 W/kg di densità di potenza dei supercondensatori qui riportati, accoppiato con una densità di energia di 7,1 Wh/kg, mostra che i supercondensatori possono offrire alle batterie una certa concorrenza.

"I supercondensatori e le batterie sono dispositivi di accumulo di energia elettrochimica piuttosto diversi, " coautore Zhi Li, dell'Università dell'Alberta e del Consiglio nazionale delle ricerche del Canada, detto Phys.org . "Ecco un esempio usato abbastanza spesso per dimostrare le loro differenze. Se stai guidando un veicolo elettrico, ti piacerebbe una batteria ad alta densità di energia per mantenere il veicolo in funzione per molte miglia e probabilmente preferiresti anche un supercondensatore ad alta densità di potenza per far partire/accelerare l'auto più velocemente. I supercondensatori sono progettati per funzionare a densità di potenza molto più elevate (carica/scarica rapida). 7,1 Wh/kg è tutt'altro che attraente per una batteria. Però, questa energia viene erogata in meno di 2 secondi. Credo che nessuna delle batterie esistenti sia pronta a farlo".

Come spiegano i ricercatori nel loro studio, hanno sintetizzato il grafene spugnoso da nanotubi di carbonio a parete multipla e molecole di cobalto ftalocianina (PC) che si attaccano ai siti di nucleazione nello "scheletro" dei nanotubi. Questi materiali sono stati riscaldati a microonde per 20 minuti per produrre grafite, e poi subito spento con acqua ghiacciata per trasformare la grafite in scaglie di grafene. Le immagini al microscopio elettronico a scansione hanno rivelato una morfologia spugnosa molto uniforme nella struttura del carbonio.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che gli elettrodi realizzati con il grafene spugnoso sono stabili in due comuni elettroliti (liquido ionico e acquoso) utilizzati nei supercondensatori. Mentre molti elettrodi per supercondensatori funzionano bene solo a temperature di 60 °C (140 °F) o superiori, gli elettrodi spugnosi di grafene funzionano molto bene a temperatura ambiente. I ricercatori attribuiscono sia il buon funzionamento a temperatura ambiente che la capacità di trasferimento rapido dell'elettrolita (e conseguente elevata densità di potenza) alla struttura macroporosa simile a una spugna dell'elettrodo.

Anche gli elettrodi spugnosi in grafene mostrano un'eccellente durata del ciclo. Dopo aver percorso 10, 000 cicli di carica-scarica, gli elettrodi hanno mantenuto il 90% della loro capacità nell'elettrolita liquido ionico e il 98% nell'elettrolita acquoso.

"In questo lavoro, coltiviamo grafene tra i CNT e otteniamo una nano-architettura in grado di fornire energia a una densità di potenza super elevata, " Li ha detto. "Tuttavia, il contributo più significativo del lavoro è che abbiamo dimostrato un metodo adatto per produrre grafene nello spazio limitato di altri nanomateriali. PC, i materiali di partenza che abbiamo usato, sono piccole molecole inferiori a 2 nm e possono adattarsi al minuscolo spazio di altri nanomateriali. Dopo carbonizzazione e tempra, I PC sono sul posto convertito in grafene. Inoltre, questa conversione è una reazione autocatalizzata che offre una grande flessibilità per realizzare la composizione del grafene con altri nanomateriali. Come sapete, i compositi di grafene hanno un'applicazione molto più ampia del grafene stesso".

Globale, i risultati si basano su ricerche precedenti che dimostrano che le strutture di grafene 3D possono fungere da struttura ideale per gli elettrodi dei supercondensatori consentendo il trasferimento rapido dell'elettrolita attraverso i canali porosi. I ricercatori sperano che ulteriori miglioramenti in futuro renderanno i supercondensatori attraenti per i veicoli elettrici, sistemi di backup dell'alimentazione, e altre applicazioni ad alta potenza.

"Stiamo cercando un modo per rendere il grafene più sottile, che darebbe alle nano-architetture più densità energetica, " Li ha detto. "Lo spessore attuale del grafene è di circa 5-6 strati. Il nostro obiettivo è renderlo meno di 2 strati. Ciò raddoppierà o triplicherà la densità di energia dei materiali senza sacrificare la densità di potenza".

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