Gli scienziati della Stanford University hanno creato un nuovo materiale in carbonio che migliora notevolmente le prestazioni delle tecnologie di stoccaggio dell'energia. I loro risultati sono presenti sulla copertina della rivista Scienze Centrali ACS .

"Abbiamo sviluppato un 'designer carbon' che è sia versatile che controllabile, " disse Zhenan Bao, l'autore senior dello studio e professore di ingegneria chimica a Stanford. "Il nostro studio mostra che questo materiale ha un'eccezionale capacità di accumulo di energia, consentendo prestazioni senza precedenti nelle batterie e nei supercondensatori al litio-zolfo."

Secondo Bao, il nuovo carbonio di design rappresenta un notevole miglioramento rispetto al carbone attivo convenzionale, un materiale poco costoso ampiamente utilizzato in prodotti che vanno dai filtri per l'acqua e deodoranti per l'aria ai dispositivi di accumulo di energia.

"Un sacco di carbone attivo a buon mercato è fatto da gusci di cocco, " Bao ha detto. "Per attivare il carbonio, i produttori bruciano la noce di cocco ad alte temperature e poi la trattano chimicamente".

Il processo di attivazione crea fori di dimensioni nanometriche, o pori, che aumentano la superficie del carbonio, permettendogli di catalizzare più reazioni chimiche e immagazzinare più cariche elettriche.

Ma il carbone attivo ha seri inconvenienti, ha detto Bao. Per esempio, c'è poca interconnessione tra i pori, che limita la loro capacità di trasportare l'elettricità.

"Con carbone attivo, non c'è modo di controllare la connettività dei pori, " Bao ha detto. "Inoltre, molte impurità dai gusci di cocco e da altre materie prime di partenza vengono trasportate nel carbonio. Come deodorante per frigorifero, il carbone attivo convenzionale va bene, ma non fornisce prestazioni sufficientemente elevate per i dispositivi elettronici e le applicazioni di accumulo di energia".

Reti 3D

Invece di usare gusci di cocco, Bao e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo modo per sintetizzare carbonio di alta qualità utilizzando prodotti chimici e polimeri poco costosi e non contaminati.

Il processo inizia con la conduzione di idrogel, un polimero a base d'acqua con una consistenza spugnosa simile alle lenti a contatto morbide.

"I polimeri di idrogel formano un insieme interconnesso, struttura tridimensionale ideale per condurre elettricità, " Bao ha detto. "Questo quadro contiene anche molecole organiche e atomi funzionali, come l'azoto, che ci permettono di mettere a punto le proprietà elettroniche del carbonio."

Per lo studio, il team di Stanford ha utilizzato un lieve processo di carbonizzazione e attivazione per convertire le strutture organiche polimeriche in fogli di carbonio dello spessore di nanometri.

"I fogli di carbonio formano una rete 3D che ha una buona connettività dei pori e un'elevata conduttività elettronica, " ha detto lo studente laureato John To, un co-autore principale dello studio. "Abbiamo anche aggiunto idrossido di potassio per attivare chimicamente i fogli di carbonio e aumentare la loro superficie".

Il risultato:carbonio di design che può essere messo a punto per una varietà di applicazioni.

"Lo chiamiamo carbonio di design perché possiamo controllarne la composizione chimica, dimensione dei pori e superficie semplicemente cambiando il tipo di polimeri e leganti organici che utilizziamo, o regolando la quantità di calore che applichiamo durante il processo di fabbricazione, "A detto.

Per esempio, aumentando la temperatura di lavorazione da 750 gradi Fahrenheit (400 gradi Celsius) a 1, 650 F (900 C) hanno determinato un aumento di 10 volte del volume dei pori.

La successiva lavorazione ha prodotto materiale in carbonio con una superficie record di 4, 073 metri quadrati per grammo - l'equivalente di tre campi da football americano racchiusi in un'oncia di carbonio. La superficie massima raggiunta con carbone attivo convenzionale è di circa 3, 000 metri quadrati per grammo.

"Un'area superficiale elevata è essenziale per molte applicazioni, compresa l'elettrocatalisi, immagazzinare energia e catturare le emissioni di anidride carbonica da fabbriche e centrali elettriche, " ha detto Bao.

Supercondensatori

Per vedere come si è comportato il nuovo materiale in condizioni reali, il team di Stanford ha fabbricato elettrodi rivestiti di carbonio e li ha installati in batterie e supercondensatori litio-zolfo.

"I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia ampiamente utilizzati nei trasporti e nell'elettronica grazie alla loro capacità di carica e scarica ultraveloce, ", ha affermato lo studioso post-dottorato Zheng Chen, un co-autore principale. "Per i supercondensatori, il materiale di carbonio ideale ha un'elevata superficie per immagazzinare cariche elettriche, elevata conduttività per il trasporto di elettroni e un'adeguata architettura dei pori che consente il rapido movimento degli ioni dalla soluzione elettrolitica alla superficie del carbonio".

Nell'esperimento, una corrente è stata applicata a supercondensatori dotati di elettrodi di carbonio di design.

I risultati sono stati drammatici. La conduttività elettrica è triplicata rispetto agli elettrodi a supercondensatore realizzati con carbone attivo convenzionale.

"Abbiamo anche scoperto che il nostro carbonio di design ha migliorato la velocità di erogazione della potenza e la stabilità degli elettrodi, " Ha aggiunto Bao.

batterie

Sono stati inoltre condotti test su batterie al litio-zolfo, una tecnologia promettente con un grave difetto:quando il litio e lo zolfo reagiscono, producono molecole di polisolfuro di litio, che può fuoriuscire dall'elettrodo nell'elettrolita e causare il guasto della batteria.

Il team di Stanford ha scoperto che gli elettrodi realizzati con carbonio di design possono intrappolare quei fastidiosi polisolfuri e migliorare le prestazioni della batteria.

"Possiamo facilmente progettare elettrodi con pori molto piccoli che consentono agli ioni di litio di diffondersi attraverso il carbonio ma impediscono la lisciviazione dei polisolfuri, " Bao ha detto. "Il nostro carbonio di design è semplice da realizzare, relativamente economico e soddisfa tutti i requisiti critici per gli elettrodi ad alte prestazioni."