Rivoluzionare la tecnologia energetica
Tecnologia scalabile per supercondensatori a base di grafene
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I supercondensatori, o in breve supercapacitori, sono dispositivi di accumulo di energia veloci e potenti. Integrano la (dis)carica relativamente lenta delle batterie in numerose applicazioni, dalle auto elettriche alle macchine industriali e alle turbine eoliche. Un team di ricercatori dell'Empa vuole sviluppare supercapacitori migliori basati sul grafene e renderli pronti per la produzione commerciale su larga scala.
I supercondensatori sono i piccoli e agili fratelli delle batterie. Entrambe le tecnologie immagazzinano energia elettrica. Le batterie hanno un'alta densità di energia ma una bassa densità di potenza. In altre parole, possono immagazzinare molta energia, ma la carica e la scarica sono piuttosto lente. I supercondensatori sono praticamente l'opposto: Assorbono e rilasciano energia alla velocità della luce, ma possono immagazzinarne solo una piccola quantità.
"Le batterie sono come un grande contenitore con un collo stretto che può riempirsi solo lentamente. I supercondensatori sono più simili a piccole tazze con un'ampia apertura. Si riempiono rapidamente, ma hanno poco volume", spiega Sina Azad, ricercatore dell'Empa. Le due tecnologie vengono spesso abbinate: In un'auto elettrica, le supercapsule catturano rapidamente l'energia di frenata e la trasmettono alle batterie più lente per l'immagazzinamento. Le supercap si trovano anche nei parchi solari e nelle turbine eoliche, oltre che nelle macchine industriali che a volte hanno bisogno di molta elettricità in tempi brevi.
Azad, ricercatore post-dottorato presso il laboratorio Functional Polymers dell'Empa, e il suo team si sono posti l'obiettivo di migliorare questi dispositivi di accumulo veloci e onnipresenti sviluppando un nuovo tipo di elettrodo basato sul grafene. Questa forma bidimensionale di carbonio dovrebbe consentire alle supercap di raggiungere densità energetiche significativamente più elevate.
"Densità energetiche record per i supercondensatori sono state descritte più volte nella letteratura scientifica", riconosce Azad. L'obiettivo del suo progetto di ricerca non è il record, ma la scalabilità. Fin dall'inizio, i ricercatori si sono concentrati su materiali e processi che possono essere implementati non solo in laboratorio, ma anche su scala industriale. Per questo motivo, il loro progetto è sostenuto da Bridge, un programma di finanziamento congiunto del Fondo Nazionale Svizzero (FNS) e di Innosuisse.
La superficie conta
Simile a una batteria, un supercondensatore è costituito da due elettrodi circondati da un elettrolita liquido. Durante la carica e la scarica, l'elettrolita trasporta gli ioni - i portatori di carica - da un elettrodo all'altro. A differenza di una batteria, però, non avviene alcuna reazione chimica. "I supercondensatori immagazzinano energia per via elettrostatica depositando il maggior numero possibile di particelle cariche sulla superficie dell'elettrodo", spiega Jakob Heier, responsabile del gruppo di ricerca Functional Thin Film Solution Processing del Laboratory for Functional Polymers, di cui fa parte Sina Azad.
Quindi, maggiore è l'area superficiale dell'elettrodo, maggiore è la quantità di ioni che vi si possono attaccare e maggiore è la densità energetica del supercondensatore. "Oggi il carbone attivo altamente poroso viene solitamente utilizzato come materiale elettrodico di scelta", spiega Vahid Charkesht, ricercatore dell'Empa. Tuttavia, a differenza del grafene, il carbone attivo ha una conducibilità elettrica molto bassa, che compromette la capacità di accumulo dell'elettrodo.
Un altro svantaggio si presenta durante la lavorazione del materiale. Nell'industria, gli elettrodi vengono stampati su pellicole flessibili in un processo roll-to-roll, quindi tagliati e arrotolati in supercapsule finite. Per poter stampare il carbone attivo in polvere su un materiale di supporto, viene mescolato con agenti leganti e altri additivi che ne compromettono la porosità.
Dall'inchiostro al prodotto
Anche la stampa del grafene non è scontata. Il grafene puro per le applicazioni industriali è solitamente ottenuto dalla grafite. I metodi di produzione convenzionali hanno una resa molto bassa di grafene puro, che deve essere separato dai prodotti di scarto con costi elevati. Tuttavia, grazie a un precedente progetto di ricerca, i ricercatori dell'Empa hanno un asso nella manica: hanno sviluppato un processo con cui il grafene di alta qualità può essere "esfoliato" dalla grafite in modo economico ed efficiente e trasformato in un inchiostro stampabile simile a un gel.
Questo inchiostro di grafene offre un vantaggio decisivo nella produzione di elettrodi per supercondensatori. Mescolando abilmente due diversi tipi di grafene, i ricercatori possono influenzare selettivamente la dimensione dei pori tra gli strati di grafene. "Se la dimensione dei pori dell'elettrodo corrisponde alla dimensione degli ioni nell'elettrolita, la densità energetica del supercondensatore aumenta notevolmente", spiega Azad. Con il carbone attivo, controllare la dimensione dei pori è impossibile.
Grazie all'elevata conduttività, alla precisione delle dimensioni dei pori, all'ampia superficie e alla scalabilità, i nuovi elettrodi diventeranno probabilmente un prodotto high-tech. "Alla fine del progetto, vogliamo portare la nostra tecnologia sul mercato, con partner industriali o con un nostro spin-off", afferma Jakob Heier.
Tuttavia, c'è ancora molto da fare: il progetto dura fino al 2028. I ricercatori non vogliono solo sviluppare la tecnologia degli elettrodi, ma anche produrli e installarli in prototipi funzionali. L'obiettivo è definire le giuste fasi del processo, trovare un elettrolita adatto e quindi caratterizzare con precisione le supercapsule finite. "Vogliamo sviluppare un prodotto reale e affidabile", riassume Azad.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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