Chip di silicio con superficie porosa accanto allo speciale forno dove è stato rivestito di grafene per creare un elettrodo a supercondensatore. Credito:Joe Howell / Vanderbilt)
(Phys.org) —Celle solari che producono elettricità 24 ore su 24, 7 giorni su 7, non solo quando splende il sole. Telefoni cellulari con celle di alimentazione integrate che si ricaricano in pochi secondi e funzionano per settimane tra una ricarica e l'altra.
Queste sono solo due delle possibilità sollevate da un nuovo design di supercondensatore inventato dagli scienziati dei materiali della Vanderbilt University e descritto in un articolo pubblicato nel numero del 22 ottobre della rivista Rapporti scientifici .
È il primo supercondensatore realizzato in silicio in modo che possa essere integrato in un chip di silicio insieme ai circuiti microelettronici che alimenta. Infatti, dovrebbe essere possibile costruire queste celle energetiche con l'eccesso di silicio che esiste nell'attuale generazione di celle solari, sensori, telefoni cellulari e una varietà di altri dispositivi elettromeccanici, garantendo un notevole risparmio economico.
"Se chiedi agli esperti di realizzare un supercondensatore con il silicio, ti diranno che è un'idea folle, " disse Cary Pinta, l'assistente professore di ingegneria meccanica che ha guidato lo sviluppo. "Ma abbiamo trovato un modo semplice per farlo."
Invece di immagazzinare energia nelle reazioni chimiche come fanno le batterie, I "supercaps" immagazzinano elettricità assemblando ioni sulla superficie di un materiale poroso. Di conseguenza, tendono a caricarsi e scaricarsi in pochi minuti, invece delle ore, e funzionano per qualche milione di cicli, invece di qualche migliaio di cicli come le batterie.
Queste proprietà hanno permesso ai supercondensatori commerciali, che sono fatti di carbone attivo, per conquistare alcune nicchie di mercato, come immagazzinare l'energia catturata dai sistemi di frenata rigenerativa su autobus e veicoli elettrici e fornire le esplosioni di potenza necessarie per adeguare le pale delle turbine eoliche giganti alle mutevoli condizioni del vento. I supercondensatori sono ancora in ritardo rispetto alla capacità di accumulo di energia elettrica delle batterie agli ioni di litio, quindi sono troppo ingombranti per alimentare la maggior parte dei dispositivi consumer. Però, hanno recuperato rapidamente.
Il grafico mostra la densità di potenza (watt per chilogrammo) e la densità di energia (wattora per chilogrammo) dei condensatori in silicio poroso (P-Si), silicio poroso rivestito di grafene e condensatori commerciali a base di carbonio. Attestazione:Cary Pint / Vanderbilt
La ricerca per migliorare la densità energetica dei supercondensatori si è concentrata su nanomateriali a base di carbonio come grafene e nanotubi. Poiché questi dispositivi immagazzinano carica elettrica sulla superficie dei loro elettrodi, il modo per aumentare la loro densità di energia è aumentare la superficie degli elettrodi, il che significa realizzare superfici piene di creste e pori su scala nanometrica.
"La grande sfida per questo approccio è assemblare i materiali, " ha detto Pint. "Costruire ad alte prestazioni, dispositivi funzionali su nanoscala con qualsiasi livello di controllo si sono rivelati piuttosto impegnativi, e quando è raggiunto è difficile da ripetere."
Così Pint e il suo gruppo di ricerca - studenti laureati Landon Oakes, Andrew Westover e la borsista post-dottorato Shahana Chatterjee – hanno deciso di adottare un approccio radicalmente diverso:utilizzando silicio poroso, un materiale con una nanostruttura controllabile e ben definita realizzata mediante incisione elettrochimica della superficie di un wafer di silicio.
Ciò ha permesso loro di creare superfici con nanostrutture ottimali per elettrodi di supercondensatori, ma li ha lasciati con un grosso problema. Il silicio è generalmente considerato inadatto all'uso nei supercondensatori perché reagisce prontamente con alcune sostanze chimiche negli elettroliti che forniscono gli ioni che immagazzinano la carica elettrica.
Con esperienza nella coltivazione di nanostrutture di carbonio, Il gruppo di Pint ha deciso di provare a rivestire la superficie di silicio poroso con carbonio. "Non avevamo idea di cosa sarebbe successo, " disse Pint. "In genere, i ricercatori coltivano grafene da materiali in carburo di silicio a temperature superiori a 1400 gradi Celsius. Ma a temperature più basse, da 600 a 700 gradi Celsius, di certo non ci aspettavamo una crescita di materiale simile al grafene".
Quando i ricercatori hanno estratto il silicio poroso dalla fornace, hanno scoperto che era passato dall'arancione al viola o al nero. Quando lo hanno ispezionato con un potente microscopio elettronico a scansione, hanno scoperto che sembrava quasi identico al materiale originale, ma era rivestito da uno strato di grafene spesso pochi nanometri.
Immagine al microscopio elettronico a trasmissione della superficie di silicio poroso rivestito di grafene. Il rivestimento è costituito da un sottile strato di 5-10 strati di grafene che ha riempito i pori con diametri inferiori a 2-3 nanometri e quindi non ha alterato l'architettura su scala nanometrica del silicio sottostante. Attestazione:Cary Pint / Vanderbilt
Quando i ricercatori hanno testato il materiale rivestito hanno scoperto che aveva stabilizzato chimicamente la superficie del silicio. Quando lo usavano per creare supercondensatori, hanno scoperto che il rivestimento in grafene ha migliorato la densità di energia di oltre due ordini di grandezza rispetto a quelli realizzati con silicio poroso non rivestito e significativamente migliore rispetto ai supercondensatori commerciali.
Lo strato di grafene funge da rivestimento protettivo atomicamente sottile. Pint e il suo gruppo sostengono che questo approccio non è limitato al grafene. "La capacità di progettare superfici con strati di materiali atomicamente sottili combinata con il controllo ottenuto nella progettazione di materiali porosi apre opportunità per una serie di applicazioni diverse oltre allo stoccaggio di energia, " Egli ha detto.
"Nonostante le eccellenti prestazioni del dispositivo che abbiamo ottenuto, il nostro obiettivo non era creare dispositivi con prestazioni da record, " ha detto Pint. "Si trattava di sviluppare una road map per lo stoccaggio integrato di energia. Il silicio è un materiale ideale su cui concentrarsi perché è la base di gran parte della nostra tecnologia e delle nostre applicazioni moderne. Inoltre, la maggior parte del silicio nei dispositivi esistenti rimane inutilizzato poiché è molto costoso e dispendioso produrre wafer di silicio sottili".
Il gruppo di Pint sta attualmente utilizzando questo approccio per sviluppare l'accumulo di energia che può essere formato nei materiali in eccesso o sui lati posteriori inutilizzati delle celle solari e dei sensori. I supercondensatori accumulerebbero l'elettricità in eccesso che le celle generano a mezzogiorno e la rilasciano quando la domanda raggiunge il picco nel pomeriggio.
"Tutte le cose che ci definiscono in un ambiente moderno richiedono elettricità, " ha affermato Pint. "Più possiamo integrare l'accumulo di energia nei materiali e nei dispositivi esistenti, più compatti ed efficienti diventeranno."
