Supponendo che tu sia abbastanza geniale da aprire qualsiasi dispositivo mobile sul mercato:un telefono, tablet o laptop – il componente più lampante del dispositivo è la batteria:generalmente consuma fino (se non più del) 60% di spazio.

È deludente pensare che i gadget che porti sono fondamentalmente pacchi di dispositivi di accumulo di energia. Pensa a quanto potrebbero essere più portatili questi dispositivi se le loro batterie fossero più piccole e più potenti.

Tali possibilità potrebbero non essere lontane.

condensatori elettrochimici, come un tipo emergente di dispositivo avanzato di accumulo di energia, hanno attributi migliori rispetto alle loro controparti di batterie convenzionali come la capacità di ricarica rapida e la durata quasi illimitata.

Oggi, in Scienza , io e i miei colleghi mostriamo come la capacità di accumulo di energia di un condensatore elettrochimico può essere raddoppiata manipolando un singolo strato di atomi di carbonio noto come grafene.

Evoluzione del condensatore elettrochimico

Mentre dovremmo essere sbalorditi da quanto abbiamo aumentato la potenza di calcolo in uno spazio ridotto (i primi computer hanno riempito intere stanze), l'efficienza di un dispositivo di accumulo di energia – la quantità di energia immagazzinata per unità di volume – deve recuperare.

L'idea di aumentare questa efficienza è di imballare più attivi, materiali che immagazzinano energia nella stessa quantità di spazio. Per quanto semplice possa sembrare, è molto difficile da fare.

Un materiale comune utilizzato nei dispositivi di accumulo di energia è il carbonio poroso. Il carbonio poroso viene prodotto vagliando un materiale di base, come il guscio di noce di cocco, con pori piccoli, aumentando la superficie del materiale di base.

I pori sono importanti per l'accumulo di energia capacitiva come in termini generali, più pori significa una superficie più ampia per l'adsorbimento fisico, che a sua volta porta a una maggiore capacità di stoccaggio.

Carbonio poroso tradizionale, una volta fatto, ha un volume fisso con pori fissi sparsi casualmente dentro e fuori.

Non è davvero possibile riaggiustare la struttura e incastrare più carbonio poroso nella stessa quantità di spazio senza accartocciare una frazione dei pori che sono particolarmente cruciali per l'accumulo di energia capacitiva.

Presentazione del grafene

Il grafene, un foglio monostrato di atomi di carbonio, è stato isolato per la prima volta nel 2004 e da allora, grandi sforzi sono stati dedicati all'esplorazione della sua fisica.

È il materiale più sottile che l'uomo conosca, ma più duro del diamante. Canalizza gli elettroni praticamente senza resistenza, rendendolo il singolo materiale più conduttivo.

Il grafene è anche l'elemento fondamentale per il carbonio poroso, quindi iniziare con il grafene ci dà il massimo controllo sulla struttura porosa del carbonio.

Per imballare il più possibile i materiali attivi in ​​una certa quantità di spazio, non è difficile capire che il modo più efficiente è quello di imballare il grafene simile a un foglio in modo faccia a faccia, come mostrato nel diagramma sottostante.

Ma i problemi iniziano quando due pezzi di grafene sono imballati troppo vicini l'uno all'altro. Come magneti, quando posizionato più vicino di una distanza critica, i fogli di grafene aderiranno irreversibilmente l'uno all'altro, diminuendo la loro superficie, e come risultato, perdono la loro capacità di immagazzinare energia.

Perciò, c'è un punto debole dove l'imballaggio del grafene, né troppo sciolto né troppo compatto, è giusto:massimo carico senza compromettere la sua capacità di immagazzinare energia.

Basta aggiungere liquido

Trovare quel punto debole richiede una messa a punto della struttura fine su scala nanometrica. Se pensi a un materiale duro che non si deformerà facilmente, questo sembra impegnativo, ma è naturale che un liquido assuma qualsiasi forma in cui è contenuto.

Ispirato da questo, abbiamo usato liquidi come mediatore tra i fogli di grafene e siamo riusciti a regolare l'impaccamento del grafene in film in modo quasi continuo, dandoci quello che chiamiamo grafene "morbido".

I condensatori elettrochimici basati sui film risultanti possono ottenere densità di energia volumetrica che si avvicinano a 60 Wattora per litro, che si avvicina a quello delle batterie al piombo presenti nelle automobili.

Il nostro lavoro, come un esempio delle tante caratteristiche "morbide" del grafene, incoraggerà i ricercatori del settore del grafene e della materia soffice a sviluppare nuovi concetti "soft" per affrontare le principali sfide scientifiche e tecniche relative alla sintesi scalabile, lavorazione e assemblaggio di materiali correlati al grafene.

Crediamo che l'implementazione di questa tecnologia rivoluzionerà molte sezioni energetiche, come l'elettronica personale a ricarica rapida e conveniente, veicoli elettrici a lunga percorrenza.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).