Grafene per la Green Grid

Integrare fonti irregolari di energia rinnovabile, come eolica e solare, con la rete elettrica, mantenendo costante la produzione di energia, sarà una grande sfida. I dispositivi di accumulo di energia chiamati ultracondensatori potrebbero aiutare immagazzinando improvvisi picchi di potenza. Ma molto dipenderà dallo sviluppo di una nuova generazione di ultracondensatori con una capacità di archiviazione sufficiente per soddisfare la probabile domanda.

Potenza del grafene: Graphene Energy spera che elettrodi di grafene come questo aumentino la capacità di accumulo di energia e la potenza degli ultracondensatori. Questa immagine, che mostra il bordo di un elettrodo di grafene, è stata realizzata con un microscopio elettronico a scansione.

Energia del grafene , una startup con sede ad Austin, in Texas, spera che gli ultracondensatori con elettrodi fatti di grafene, fogli di carbonio dello spessore di appena un atomo, siano la soluzione. La capacità di stoccaggio di un ultracondensatore è limitata solo dalla superficie dei suoi elettrodi e il grafene offre un modo per aumentare notevolmente l'area disponibile.

Gli ultracondensatori immagazzinano energia elettrostaticamente, invece che chimicamente, come nelle batterie. Durante la carica, gli elettroni giungono sulla superficie di un elettrodo e i fori di elettroni si formano sulla superficie dell'altro. Questo attira ioni positivi in ​​un elettrolita al primo elettrodo e ioni negativi al secondo. Al contrario, le reazioni chimiche utilizzate per caricare le batterie limitano la velocità con cui possono essere caricate e alla fine provocano la rottura dei materiali degli elettrodi. Gli ultracondensatori possono essere caricati e scaricati molto rapidamente, in secondi anziché in minuti, e possono essere ricaricati milioni di volte prima di esaurirsi.

Tuttavia, gli ultracondensatori attualmente sul mercato non possono eguagliare le batterie per densità energetica, quindi vengono utilizzati principalmente nei sistemi ibridi insieme alle batterie o per applicazioni di nicchia. Poiché questi dispositivi possono gestire un rapido afflusso di grandi quantità di energia, vengono spesso utilizzati per recuperare energia, ad esempio quando un autobus urbano frena o una gru a cavalletto abbassa il carico. Gli ultracondensatori impiegati in questo modo hanno ridotto del 40% l'energia necessaria ad alcune gru utilizzate nei porti giapponesi. Alcuni utensili elettrici, tra cui un trapano elettrico, sfruttano la capacità di ricarica rapida degli ultracondensatori.

Graphene Energy spera di aprire nuove applicazioni per gli ultracondensatori sviluppando dispositivi con una potenza di uscita molto più elevata. Questi ultracondensatori potrebbero forse essere utilizzati per regolare le sovratensioni nella rete elettrica o per alimentare veicoli di trasporto ibridi. L'azienda dispone di $ 500.000 in fondi per la commercializzazione di ultracondensatori al grafene sviluppati da Rodney Ruoff , professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin. Ruoff è cofondatore di Graphene Energy e funge anche da consulente tecnologico dell'azienda.

Gli ultracondensatori esistenti utilizzano elettrodi realizzati con carbone attivo, un materiale poroso, simile al carbone, con un'area superficiale molto elevata. I depositi di carbone attivo si caricano in pori simili a tunnel e impiega circa un secondo per entrare e uscire. Questo è molto veloce rispetto alle batterie più veloci, ma il carbone attivo ha una potenza limitata.

Per realizzare il grafene per i suoi elettrodi, il team di Ruoff inizia mettendo l'ossido di grafite in una soluzione acquosa. Questo fa sì che il materiale si sfaldi in fogli sottili come un atomo di ossido di grafene. Successivamente, gli atomi di ossigeno vengono rimossi, lasciando dietro di sé il grafene. Finora, il laboratorio di Ruoff ha realizzato ultracondensatori al grafene che corrispondono alle prestazioni di quelli realizzati con carbone attivo. Con ulteriori perfezionamenti, afferma, dovrebbero superare le prestazioni del carbone attivo, sebbene i passi che la sua azienda sta intraprendendo per raggiungere questo obiettivo rimangano segreti.

Sulla base di una descrizione degli ultracondensatori al grafene pubblicata lo scorso settembre sulla rivista Nano lettere , John Miller di JME, una società di ricerca e consulenza specializzata in condensatori elettrochimici, afferma che dovrebbe essere effettivamente possibile migliorarne le prestazioni. L'elettrodo di grafene descritto in questo articolo è avvolto in una palla come un pezzo di carta accartocciato, afferma Miller. Non hai pieno accesso alla superficie.

Se Graphene Energy può far crescere gli elettrodi in array verticali, come una fila di fogli di carta perfettamente piatti in piedi sul bordo, Miller afferma che la potenza potrebbe essere aumentata notevolmente. In questa disposizione, ogni singolo atomo di carbonio sarebbe esposto e in grado di immagazzinare energia, praticamente senza tempi di attesa per la carica di viaggiare lungo i tunnel trovati nel carbone attivo.

Tuttavia, oltre a migliorare le prestazioni dei suoi ultracondensatori, Graphene Energy deve anche sviluppare un metodo per realizzarli su scala più ampia, una sfida comune a tutta la ricerca sul grafene.

Dileep Agnihotri , CEO di Graphene Energy, afferma che l'azienda spera di testare il suo primo prodotto prototipo che incorpora elettrodi di grafene entro la fine di quest'anno.

Un altro gruppo di ricercatori spera di realizzare elettrodi per ultracondensatori migliori utilizzando nanotubi di carbonio, tubi arrotolati di grafene che hanno molte delle stesse proprietà. Penso che entrambi gli approcci possano funzionare in linea di principio, afferma Joel schindall , un professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT che sta lavorando sugli elettrodi dei nanotubi. La chiave sarà ottenere il giusto processo di crescita, quindi lavorare sui modi per produrlo in modo conveniente.

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