Un team che lavora con Roland Fischer, Il professore di chimica inorganica e metallo-organica presso l'Università tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato un supercondensatore altamente efficiente. La base del dispositivo di accumulo di energia è un romanzo, materiale ibrido di grafene potente e anche sostenibile che ha dati sulle prestazioni comparabili alle batterie attualmente utilizzate.

Generalmente, l'accumulo di energia è associato a batterie e accumulatori che forniscono energia per i dispositivi elettronici. Però, nei computer portatili, macchine fotografiche, cellulari o veicoli, i cosiddetti supercondensatori sono sempre più installati in questi giorni.

A differenza delle batterie, possono immagazzinare rapidamente grandi quantità di energia ed emetterla altrettanto velocemente. Se, ad esempio, un treno frena quando entra in stazione, i supercondensatori immagazzinano l'energia e la forniscono di nuovo quando il treno ha bisogno di molta energia molto rapidamente durante l'avvio.

Però, un problema con i supercondensatori fino ad oggi era la loro mancanza di densità di energia. Mentre gli accumulatori al litio raggiungono una densità energetica fino a 265 Kilowattora (KW/h), i supercondensatori finora ne hanno erogato solo un decimo.

Il materiale sostenibile offre prestazioni elevate

Il team che lavora con il chimico TUM Roland Fischer ha ora sviluppato un romanzo, materiale ibrido di grafene potente e sostenibile per supercondensatori. Serve come elettrodo positivo nel dispositivo di accumulo di energia. I ricercatori lo stanno combinando con un collaudato elettrodo negativo a base di titanio e carbonio.

Il nuovo accumulatore di energia non solo raggiunge una densità di energia fino a 73 Wh/kg, che è approssimativamente equivalente alla densità di energia di una batteria all'idruro metallico di nichel, ma funziona anche molto meglio della maggior parte degli altri supercondensatori con una densità di potenza di 16 kW/kg. Il segreto del nuovo supercondensatore è la combinazione di materiali diversi, quindi, i chimici si riferiscono al supercondensatore come "asimmetrico".

Materiali ibridi:la natura è il modello di riferimento

I ricercatori stanno scommettendo su una nuova strategia per superare i limiti prestazionali dei materiali standard:utilizzano materiali ibridi. "La natura è piena di cose altamente complesse, materiali ibridi evolutivamente ottimizzati:ossa e denti sono esempi. Le loro proprietà meccaniche, come durezza ed elasticità sono stati ottimizzati attraverso la combinazione di vari materiali per natura, "dice Roland Fischer.

L'idea astratta di combinare i materiali di base è stata trasferita ai supercondensatori dal team di ricerca. Come base, hanno utilizzato il nuovo elettrodo positivo dell'unità di stoccaggio con grafene modificato chimicamente e l'hanno combinato con una struttura organica metallica nanostrutturata, un cosiddetto MOF.

Potente e stabile

Determinanti per le prestazioni degli ibridi di grafene sono da un lato un'ampia superficie specifica e dimensioni dei pori controllabili e dall'altro un'elevata conduttività elettrica. "Le capacità ad alte prestazioni del materiale si basano sulla combinazione dei MOF microporosi con l'acido di grafene conduttivo, " spiega il primo autore Jayaramulu Kolleboyina, un ex scienziato ospite che lavora con Roland Fischer.

Una grande superficie è importante per buoni supercondensatori. Consente la raccolta di un numero rispettivamente elevato di portatori di carica all'interno del materiale:questo è il principio di base per l'immagazzinamento dell'energia elettrica.

Attraverso un abile design dei materiali, i ricercatori hanno realizzato l'impresa di collegare l'acido di grafene con i MOF. I MOF ibridi risultanti hanno una superficie interna molto ampia, fino a 900 metri quadrati per grammo, e sono altamente performanti come elettrodi positivi in ​​un supercondensatore.

Lunga stabilità

Però, questo non è l'unico vantaggio del nuovo materiale. Per ottenere un ibrido chimicamente stabile, sono necessari forti legami chimici tra i componenti. I legami sono apparentemente gli stessi di quelli tra gli amminoacidi nelle proteine, secondo Fischer:"In effetti, abbiamo collegato l'acido di grafene con un amminoacido MOF, che crea un tipo di legame peptidico."

La connessione stabile tra i componenti nanostrutturati ha enormi vantaggi in termini di stabilità a lungo termine:più stabili sono i legami, più cicli di carica e scarica sono possibili senza una significativa riduzione delle prestazioni.

Per fare un confronto:un classico accumulatore al litio ha una vita utile di circa 5, 000 cicli. La nuova cella sviluppata dai ricercatori TUM conserva quasi il 90 percento della capacità anche dopo 10, 000 cicli.

Rete internazionale di esperti

Fischer sottolinea quanto sia stata importante la libera cooperazione internazionale che i ricercatori hanno controllato quando si è trattato dello sviluppo del nuovo supercondensatore. Di conseguenza, Jayaramulu Kolleboyina ha costruito la squadra. È stato uno scienziato ospite dall'India invitato dalla Fondazione Alexander von Humboldt e che ora è il capo del dipartimento di chimica presso l'Indian Institute of Technology di Jammu.

"Il nostro team ha anche collaborato con esperti di elettrochimica e di ricerca sulle batterie a Barcellona, ​​nonché esperti di derivati ​​del grafene dalla Repubblica Ceca, " riferisce Fischer. "Inoltre, abbiamo partner integrati dagli Stati Uniti e dall'Australia. Questo meraviglioso, la cooperazione internazionale promette molto per il futuro".