Ingegneri dell'Università della California, San Diego ha scoperto un metodo per aumentare la quantità di carica elettrica che può essere immagazzinata nel grafene, una forma bidimensionale di carbonio. La ricerca, pubblicato di recente online sulla rivista Nano lettere , può fornire una migliore comprensione di come migliorare la capacità di accumulo di energia dei condensatori per potenziali applicazioni nelle automobili, turbine eoliche, e l'energia solare.

I condensatori si caricano e si scaricano molto velocemente, e sono più utili per rapide grandi esplosioni di energia, come nei flash delle fotocamere e nelle centrali elettriche. La loro capacità di caricarsi e scaricarsi rapidamente è un vantaggio rispetto al lungo tempo di carica delle batterie. Però, il problema con i condensatori è che immagazzinano meno energia delle batterie.

Come si può migliorare l'accumulo di energia di un condensatore? Un approccio dei ricercatori nel laboratorio del professore di ingegneria meccanica Prabhakar Bandaru presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego è stato quello di introdurre più carica in un elettrodo del condensatore utilizzando il grafene come materiale modello per i loro test. Il principio è che una maggiore carica porta ad una maggiore capacità, che si traduce in un maggiore accumulo di energia.

Com'è fatto

Realizzare una struttura di nanotubi di carbonio perfetta senza difetti, che sono buchi corrispondenti agli atomi di carbonio mancanti è quasi impossibile. Piuttosto che evitare i difetti, i ricercatori nel laboratorio di Bandaru hanno trovato un modo pratico per usarli invece.

"Ero motivato dal punto di vista che i difetti caricati possono essere utili per l'accumulo di energia, "disse Bandaru.

Il team ha utilizzato un metodo chiamato lavorazione al plasma a base di ioni di argon, in cui i campioni di grafene vengono bombardati con ioni di argon carichi positivamente. Durante questo processo, gli atomi di carbonio vengono espulsi dagli strati di grafene e lasciano buchi contenenti cariche positive questi sono i difetti carichi. L'esposizione dei campioni di grafene al plasma di argon ha triplicato la capacità dei materiali.

"È stato emozionante dimostrare che possiamo introdurre capacità extra introducendo difetti carichi, e che potremmo controllare quale tipo di difetto caricato potremmo introdurre in un materiale, " disse Rajaram Narayanan, uno studente laureato nel gruppo di ricerca del professor Bandaru e primo autore dello studio.

Utilizzando la spettroscopia Raman e le misurazioni elettrochimiche, il team è stato in grado di caratterizzare i tipi di difetti introdotti dall'elaborazione del plasma di argon nei reticoli di grafene. I risultati hanno rivelato la formazione di difetti estesi noti come difetti "a poltrona" e "zigzag", che sono denominati in base alle configurazioni degli atomi di carbonio mancanti.

Inoltre, studi elettrochimici hanno aiutato il team a scoprire una nuova scala di lunghezza che misura la distanza tra le cariche. "Questa nuova scala di lunghezze sarà importante per le applicazioni elettriche, poiché può fornire una base per quanto piccolo possiamo realizzare dispositivi elettrici, "disse Bandaru.