Un po' di sodio fa molto. Almeno questo è il caso della tecnologia energetica basata sul carbonio. Nello specifico, l'inclusione di sodio in materiali di carbonio può migliorare enormemente gli elettrodi, il che potrebbe semplificare la produzione di celle solari e supercondensatori.

Un gruppo di ricerca guidato da Yun Hang Hu, il Charles e Carroll McArthur Professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Michigan Tech, ha creato un modo nuovo di zecca per sintetizzare nanopareti di carbonio inglobate nel sodio. In precedenza, il materiale era solo teorico e la rivista Nano lettere ha recentemente pubblicato questa invenzione.

Meglio del grafene

Elevata conduttività elettrica e ampia superficie accessibile, che sono necessari per i materiali elettrodici ideali nei dispositivi energetici, sono opposti l'uno all'altro nei materiali attuali. Il carbonio amorfo ha una bassa conduttività ma un'ampia superficie. Grafite, d'altra parte, ha un'elevata conduttività ma una superficie ridotta. Il grafene tridimensionale ha il meglio di entrambe le proprietà e il carbonio incorporato nel sodio inventato da Hu alla Michigan Tech è ancora migliore.

"La conduttività del carbonio inglobato nel sodio è due ordini di grandezza più grande del grafene tridimensionale, " Hu dice. "La struttura nanowall, con tutti i suoi canali e pori, ha anche un'ampia superficie accessibile paragonabile al grafene."

Questo è diverso dal carbonio drogato con metallo, dove i metalli sono semplicemente sulla superficie del carbonio e sono facilmente ossidabili; incorporare un metallo nella struttura in carbonio reale aiuta a proteggerlo. Per realizzare un tale materiale da sogno, Hu e il suo team hanno dovuto creare un nuovo processo. Hanno usato una reazione a temperatura controllata tra il metallo di sodio e il monossido di carbonio per creare una polvere di carbonio nero che intrappolava gli atomi di sodio. Per di più, in collaborazione con ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università del Texas ad Austin, hanno dimostrato che il sodio era incorporato all'interno del carbonio invece di aderire alla superficie del carbonio.

È necessaria solo una minuscola quantità di sodio incorporato per ottenere un'elevata conduttività per il carbonio di grande superficie, il che lo rende un materiale per elettrodi promettente per dispositivi energetici come celle solari sensibilizzate a colorante e supercondensatori.

Celle solari

Le celle solari sensibilizzate al colorante (DSSC) sono un'alternativa ai pannelli a base di silicio comunemente usati per la produzione di elettricità dalla luce solare. Il platino è l'attuale materiale del controelettrodo di scelta per i DSSC.

"Però, il carbonio inglobato nel sodio è sia meno costoso che più efficiente del platino in queste celle solari, " dice Hu.

Nel mondo delle celle solari sensibilizzate al colorante, ogni decimo di punto percentuale conta nel rendere i dispositivi più efficienti e commercialmente sostenibili. Nello studio, la cella solare a base di platino ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza del 7,89 percento, che è considerato standard. In confronto, la cella solare che utilizza il carbonio incorporato nel sodio di Hu ha raggiunto un'efficienza dell'11,03 percento.

Supercondensatore

I supercondensatori possono accettare e fornire cariche molto più velocemente delle batterie ricaricabili e sono ideali per auto, treni, ascensori e altre attrezzature pesanti. La potenza del loro punzone elettrico si misura in farad (F); la densità del materiale, in grammi (g), anche importa.

Il carbone attivo è comunemente usato per i supercondensatori; racchiude un 71 F g ^-1 punch. Il grafene tridimensionale ha più potenza con un 112 F g ^-1 misurazione. Il carbonio incastonato nel sodio li fa cadere entrambi fuori dal ring con un 145 F g ^-1 misurazione. Più, dopo 5, 000 cicli di carica/scarica, il materiale mantiene una capacità del 96,4%, che indica la stabilità dell'elettrodo.

Batterie e oltre

Il prossimo passo nella ricerca sarà quello di valutare il materiale in altri dispositivi energetici.

"Nella nostra ricerca, lavoriamo sia con la teoria che con gli esperimenti, " dice Hu. "Questo ci offre un'opportunità unica per creare nuovi materiali".

Hu afferma che l'innovazione nei dispositivi energetici è molto richiesta. Vede un futuro brillante per il carbonio incorporato nel sodio e i miglioramenti che offre nella tecnologia solare, batterie, celle a combustibile, e supercondensatori.