(Phys.org) —Immagina un futuro in cui i nostri gadget elettrici non saranno più limitati da spine e fonti di alimentazione esterne. Questa intrigante prospettiva è una delle ragioni dell'attuale interesse a costruire la capacità di immagazzinare energia elettrica direttamente in una vasta gamma di prodotti, come un laptop il cui involucro funge da batteria, o un'auto elettrica alimentata dall'energia immagazzinata nel suo telaio, o una casa dove il muro a secco e il rivestimento immagazzinano l'elettricità che fa funzionare le luci e gli elettrodomestici.

Fa anche il piccolo, wafer grigio opaco che lo studente laureato Andrew Westover e l'assistente professore di ingegneria meccanica Cary Pint hanno realizzato nel laboratorio di nanomateriali e dispositivi energetici di Vanderbilt molto più importante di quanto suggerisca il loro aspetto anonimo.

"Questi dispositivi dimostrano - per la prima volta per quanto ne sappiamo - che è possibile creare materiali in grado di immagazzinare e scaricare quantità significative di elettricità mentre sono soggetti a carichi statici e forze dinamiche realistici, quali vibrazioni o urti, " ha detto Pint. "Andrew è riuscito a trasformare in realtà il nostro sogno di materiali per l'accumulo di energia strutturale".

Questo è importante perché lo stoccaggio strutturale dell'energia cambierà il modo in cui verrà sviluppata un'ampia varietà di tecnologie in futuro.

"Quando è possibile integrare l'energia nei componenti utilizzati per costruire i sistemi, apre le porte a un mondo completamente nuovo di possibilità tecnologiche. All'improvviso, la capacità di progettare tecnologie alla base della salute, intrattenimento, i viaggi e la comunicazione sociale non saranno limitati da spine e fonti di alimentazione esterne, " disse Pinta.

Il nuovo dispositivo sviluppato da Pint e Westover è un supercondensatore che immagazzina elettricità assemblando ioni caricati elettricamente sulla superficie di un materiale poroso, invece di immagazzinarlo in reazioni chimiche come fanno le batterie. Di conseguenza, i supercondensatori possono caricarsi e scaricarsi in pochi minuti, invece delle ore, e funzionano per milioni di cicli, invece di migliaia di cicli come le batterie.

In un articolo apparso online il 19 maggio sulla rivista Nano lettere , Pint e Westover riferiscono che il loro nuovo supercondensatore strutturale funziona perfettamente immagazzinando e rilasciando carica elettrica mentre è soggetto a sollecitazioni o pressioni fino a 44 psi e accelerazioni vibrazionali superiori a 80 g (significativamente maggiori di quelle che agiscono sulle pale delle turbine in un motore a reazione).

Per di più, la robustezza meccanica del dispositivo non compromette la sua capacità di accumulo di energia. "In un non imballato, stato strutturalmente integrato il nostro supercondensatore può immagazzinare più energia e funzionare a tensioni più elevate rispetto a un pacchetto, supercondensatore commerciale standard, anche sotto intense forze dinamiche e statiche, " disse Pinta.

Un'area in cui i supercondensatori sono in ritardo rispetto alle batterie è la capacità di accumulo di energia elettrica:i supercondensatori devono essere più grandi e più pesanti per immagazzinare la stessa quantità di energia delle batterie agli ioni di litio. Però, la differenza non è così importante quando si considerano i sistemi di accumulo di energia multifunzionali.

"Le metriche sulle prestazioni della batteria cambiano quando si inserisce l'energia accumulata in materiali pesanti che sono già necessari per l'integrità strutturale, " ha detto Pint. "I supercondensatori immagazzinano dieci volte meno energia delle attuali batterie agli ioni di litio, ma possono durare mille volte di più. Ciò significa che sono più adatti per applicazioni strutturali. Non ha senso sviluppare materiali per costruire una casa, telaio dell'auto, o un veicolo aerospaziale se devi sostituirli ogni pochi anni perché muoiono."

I wafer di Westover sono costituiti da elettrodi realizzati in silicio che sono stati trattati chimicamente in modo da avere pori su scala nanometrica sulle loro superfici interne e quindi rivestiti con uno strato protettivo di carbonio ultrasottile simile al grafene. Stretto tra i due elettrodi c'è un film polimerico che funge da serbatoio di ioni carichi, simile al ruolo della pasta elettrolitica in una batteria. Quando gli elettrodi vengono premuti insieme, il polimero trasuda nei piccoli pori più o meno allo stesso modo in cui il formaggio fuso penetra negli angoli e nelle fessure del pane artigianale in un panino. Quando il polimero si raffredda e si solidifica, forma un legame meccanico estremamente forte.

"Il problema più grande con la progettazione di supercap portanti è impedire loro di delaminarsi, " ha detto Westover. "La combinazione di materiale nanoporoso con l'elettrolita polimerico lega gli strati insieme più strettamente della supercolla".

L'uso del silicio nei supercondensatori strutturali è più adatto per l'elettronica di consumo e le celle solari, ma Pint e Westover sono fiduciosi che le regole che governano il carattere portante del loro design si trasferiranno ad altri materiali, come nanotubi di carbonio e metalli porosi leggeri come l'alluminio.

L'intensità dell'interesse per i dispositivi "multifunzionali" di questo tipo si riflette nel fatto che l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata per l'energia del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta investendo 8,7 milioni di dollari in progetti di ricerca che si concentrano specificamente sull'incorporazione dell'accumulo di energia nei materiali strutturali. Ci sono state anche recenti notizie di stampa di diversi importanti sforzi per sviluppare materiali multifunzionali o batterie strutturali per l'uso in veicoli elettrici e per applicazioni militari. Però, Pint ha sottolineato che non ci sono state segnalazioni nella letteratura tecnica di test eseguiti su materiali di accumulo di energia strutturale che mostrino come funzionano sotto carichi meccanici realistici.