I ricercatori della Texas A&M University hanno scoperto che quando si carica un supercondensatore, immagazzina energia e risponde allungandosi ed espandendosi. Questa scoperta può essere utilizzata per progettare nuovi materiali per l'elettronica flessibile o altri dispositivi che devono essere robusti e immagazzinare energia in modo efficiente.
La Dott.ssa Jodie Lutkenhaus, capo dipartimento associato di impegno interno e professoressa di ingegneria chimica, ha collaborato con il Dott. Dimitris Lagoudas, professore di ingegneria aerospaziale e il Dott. James Boyd, professore associato di ingegneria aerospaziale in un nuovo articolo pubblicato su Matter .
"Abbiamo misurato gli stress che si sviluppano negli elettrodi dei supercondensatori a base di grafene e li abbiamo correlati al modo in cui gli ioni si muovono dentro e fuori dal materiale", ha detto Lutkenhaus. "Ad esempio, quando un condensatore viene sottoposto a ciclo, ciascun elettrodo immagazzina e rilascia ioni che possono farlo gonfiare e contrarre."
Lutkenhaus ha affermato che questo movimento ripetuto può causare l’accumulo di stress meccanici, con conseguente guasto del dispositivo. Per contrastare questo problema, la sua ricerca mira a creare uno strumento che misuri le sollecitazioni e le deformazioni meccaniche nei materiali di accumulo dell'energia mentre si caricano e si scaricano.
Questo strumento offre approfondimenti sulla misurazione del comportamento meccanico durante la carica e la scarica di un elettrodo, che può essere difficile da osservare in tempo reale.
"Stiamo sperimentando metodi sperimentali per misurare la risposta elettrochimica e meccanica simultanea degli elettrodi", ha affermato Boyd. "La nostra ricerca si sta ora spostando dai supercondensatori alle batterie."
I danni meccanici limitano il ciclo di vita delle batterie, quindi sono necessari nuovo hardware e modelli per interpretare le misurazioni sperimentali e separare gli effetti della diffusione di massa, delle reazioni, della deformazione anelastica e dei danni meccanici.
Le batterie e i condensatori possono guastarsi a causa dei diversi effetti delle sollecitazioni meccaniche interne ed esterne. Le sollecitazioni interne si verificano quando le batterie sviluppano cicli ripetuti del dispositivo, mentre le sollecitazioni esterne possono derivare dall'impatto o dalla penetrazione del dispositivo.
Quando si verificano queste sollecitazioni, la batteria deve essere in grado di resistere al danno. Lutkenhaus ha affermato che è importante capire come si sviluppa lo stress meccanico nello stato elettrochimico del dispositivo.
"Abbiamo sviluppato uno strumento che può fare proprio questo", ha detto Lutkenhaus. "Ottenendo queste informazioni cruciali, potremmo essere in grado di progettare dispositivi di stoccaggio dell'energia più sicuri e che dureranno più a lungo."
La ricerca mira a sviluppare dispositivi di stoccaggio dell'energia in grado di sopportare carichi strutturali ed eventualmente sostituire la plastica rinforzata con fibra di carbonio che funge da pannelli strutturali negli aerei, migliorando così l'efficienza energetica.
"Questo articolo è il risultato di una collaborazione continua tra ingegneri chimici e scienziati di ingegneria aerospaziale", ha affermato Lagoudas. "Questa ricerca fornisce una comprensione unica di come i nanomateriali possono essere utilizzati per dispositivi di stoccaggio dell'energia leggeri e resistenti per applicazioni aerospaziali."
Ulteriori informazioni: Dimitrios Loufakis et al, Accoppiamento elettrochemo-meccanico in situ di elettrodi di supercondensatori nanomateriali 2D, Materia (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017
Informazioni sul giornale: Materia
Fornito dal Texas A&M University College of Engineering
