(Phys.org) —I ricercatori del California NanoSystems Institute (CNSI) dell'UCLA hanno posto le basi per uno spartiacque nello stoccaggio di energia mobile utilizzando uno speciale materiale di grafene per aumentare significativamente la densità di energia dei condensatori elettrochimici, mettendoli alla pari con le batterie al piombo.

Il materiale, chiamato un quadro di grafene bucato, ha una tridimensionalità, struttura forata caratterizzata da minuscoli fori; non solo aumenta la densità di energia (la quantità di energia immagazzinata e pronta per l'uso) ma consente ai condensatori elettrochimici di mantenere la loro elevata densità di potenza (la quantità di potenza per unità di massa o volume), secondo Xiangfeng Duan, un professore di chimica e biochimica dell'UCLA che ha guidato la ricerca.

condensatori elettrochimici, noti anche come EC o supercondensatori, sono una tecnologia importante per il futuro dell'accumulo di energia e degli alimentatori mobili, ma sono stati limitati dalla bassa densità di energia. Rispetto alle batterie tradizionali, Gli EC hanno in genere una densità di potenza e una durata del ciclo superiori, ovvero il numero di cicli completi di carica-scarica che una fonte di energia può supportare prima che scenda all'80% della sua capacità originale e venga considerata "esaurita". Ma hanno avuto una densità di energia di almeno un ordine di grandezza al di sotto delle batterie.

Poiché il componente principale di un EC è il materiale dell'elettrodo, che è responsabile delle prestazioni complessive della CE, la ricerca recente si è concentrata su nuovi materiali efficienti in grado di aumentare la densità di energia senza sacrificare la densità di potenza o la durata del ciclo. Un elettrodo EC ad alte prestazioni deve avere un'elevata conduttività elettrica, un'elevata superficie accessibile agli ioni, un'elevata velocità di trasporto ionico e un'elevata stabilità elettrochimica.

Gli attuali EC allo stato dell'arte generalmente utilizzano elettrodi porosi a carbone attivo con densità di energia molto inferiori rispetto alle batterie al piombo-acido:da 4 a 5 wattora per chilogrammo contro 25-35 wattora per chilogrammo (da 5 a 7 wattora per litro contro da 50 a 90 wattora per litro).

Nel loro studio, pubblicato online l'8 agosto sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori del CNSI guidati da Duan hanno utilizzato una struttura di grafene bucata 3D altamente interconnessa come materiale per gli elettrodi per creare un EC con prestazioni senza precedenti. L'elettrodo dimostra una conduttività elettrica superiore, eccezionale flessibilità meccanica e porosità gerarchica unica, garantendo il trasporto efficiente di elettroni e ioni e consentendo le più alte densità di energia gravimetrica di 127 wattora per chilogrammo e densità di energia volumetrica di 90 wattora per litro.

Per di più, il team ha dimostrato che un EC completamente confezionato mostra densità di energia senza precedenti di 35 wattora per chilogrammo (49 wattora per litro), circa da cinque a 10 volte superiori agli attuali supercondensatori commerciali e alla pari con le batterie acide.

"Il buco del grahene EC colma il divario di densità di energia tra i condensatori e le batterie tradizionali, ma con una densità di potenza molto più elevata, " Ha detto Duan. "Crea interessanti opportunità per gli alimentatori mobili per molte applicazioni dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici".