I ricercatori di Lawrence Livermore hanno identificato cambiamenti indotti dalla carica elettrica nella struttura e nel legame degli elettrodi di carbonio grafitico che un giorno potrebbero influenzare il modo in cui l'energia viene immagazzinata.

La ricerca potrebbe portare a un miglioramento della capacità e dell'efficienza dei sistemi di accumulo di energia elettrica, come batterie e supercondensatori, necessarie per soddisfare le crescenti esigenze dei consumatori, tecnologie industriali e verdi.

La tecnologia del futuro richiede che i sistemi di accumulo di energia abbiano una capacità di accumulo molto più ampia, cicli di carica/scarica rapidi e resistenza migliorata. I progressi in queste aree richiedono una comprensione più completa dei processi di stoccaggio dell'energia da atomiche a scale di lunghezza micron. Poiché questi processi complessi possono cambiare in modo significativo man mano che il sistema viene caricato e scaricato, i ricercatori si sono sempre più concentrati su come guardare all'interno di un sistema di accumulo di energia funzionante. Sebbene gli approcci computazionali siano avanzati negli ultimi decenni, lo sviluppo di approcci sperimentali è stato molto impegnativo, in particolare per studiare gli elementi leggeri che sono prevalenti nei materiali per l'accumulo di energia.

Il lavoro recente di un team guidato da LLNL ha sviluppato una nuova funzionalità di spettroscopia di adsorbimento a raggi X che è strettamente accoppiata con uno sforzo di modellazione per fornire informazioni chiave su come la struttura e il legame degli elettrodi del supercondensatore di carbonio grafitico sono influenzati dalla polarizzazione delle interfacce elettrodo - elettrolita durante la ricarica.

I supercondensatori grafici sono sistemi modello ideali per sondare i fenomeni interfacciali perché sono relativamente chimicamente stabili, ampiamente caratterizzati sperimentalmente e teoricamente e sono interessanti tecnologicamente. Il team ha utilizzato il materiale per elettrodi sfusi in nanografene 3D (3D-NG) recentemente sviluppato come materiale grafitico modello.

"La nostra capacità di spettroscopia di adsorbimento a raggi X di nuova concezione ci ha permesso di rilevare il complesso, cambiamenti indotti dal campo elettrico nella struttura elettronica che subiscono gli elettrodi del supercondensatore a base di grafene durante il funzionamento. L'analisi di questi cambiamenti ha fornito informazioni su come la struttura e il legame degli elettrodi evolvono durante la carica e la scarica, " ha detto Jonathan Lee, uno scienziato LLNL e corrispondente autore di un articolo che dovrebbe apparire come articolo di copertina dell'edizione del 4 marzo della rivista, Materiale avanzato . "L'integrazione di capacità di modellazione uniche per lo studio dell'interfaccia elettrodo-elettrolita caricato ha giocato un ruolo cruciale nella nostra interpretazione dei dati sperimentali".

La scoperta che la struttura elettronica degli elettrodi del supercondensatore in carbonio grafitico può essere adattata tramite interazioni elettrodo-elettrolita indotte dalla carica apre una nuova finestra verso sistemi di accumulo di energia elettrochimica più efficienti. Inoltre, le tecniche sperimentali e di modellazione sviluppate durante la ricerca sono facilmente applicabili ad altri materiali e tecnologie di accumulo di energia.