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I nanofiori migliorano gli ultracondensatori
Immagina la batteria di un cellulare che si ricarica in pochi secondi e che non dovresti mai sostituire. Questa è la promessa dei dispositivi di accumulo di energia noti come ultracondensatori, ma al momento possono immagazzinare solo il 5% circa di energia rispetto alle batterie agli ioni di litio. Un progresso dei ricercatori del Research Institute of Chemical Defense, in Cina, potrebbe aumentare la capacità degli ultracondensatori di immagazzinare energia.
Potenza nanofiori: Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra una nanoparticella di ossido di manganese simile a un fiore depositata alla giunzione di nanotubi di carbonio incrociati. Utilizzato come materiale per elettrodi, questo composito di nanotubi e ossido di manganese potrebbe migliorare la capacità di accumulo di energia degli ultracondensatori, che si dimostrano promettenti come sostituti potenti e duraturi delle batterie.
Un condensatore è costituito da due elettrodi con cariche opposte, spesso separati da un isolante che impedisce agli elettroni di saltare direttamente tra di loro. I ricercatori hanno sviluppato un elettrodo in grado di immagazzinare il doppio della carica rispetto agli elettrodi a carbone attivo utilizzati negli attuali ultracondensatori. Il nuovo elettrodo contiene nanoparticelle di ossido di manganese a forma di fiore depositate su nanotubi di carbonio cresciuti verticalmente.
Gli elettrodi forniscono cinque volte più potenza degli elettrodi a carbone attivo, afferma Hao Zhang, autore principale del libro Nano lettere carta che descrive il nuovo lavoro. La longevità dell'elettrodo è anche paragonabile a quella degli elettrodi a carbone attivo, dice Zhang: scaricare e ricaricare gli elettrodi 20.000 volte ha ridotto la capacità di accumulo di energia del condensatore solo del 3%.
In un tipico ultracondensatore, due elettrodi di alluminio sono sospesi in un elettrolita. Una tensione applicata agli elettrodi separa gli ioni positivi e negativi nell'elettrolita, che vengono attratti dagli elettrodi di carica opposta. La quantità di energia che l'ultracondensatore può immagazzinare dipende in gran parte dalla superficie degli elettrodi: maggiore è l'area, maggiore è lo spazio per immagazzinare la carica. Rivestire gli elettrodi con carbone attivo aumenta la loro superficie, poiché un cucchiaino da tè del materiale poroso e spugnoso ha circa la superficie di un campo da calcio. Gli ultracondensatori possono immagazzinare milioni di volte più energia dei minuscoli condensatori utilizzati nei circuiti elettronici.
Ma le loro prestazioni ancora impallidiscono rispetto a quelle delle batterie, che immagazzinano energia usando reazioni chimiche. Se ti dessi un cellulare con una batteria a ultracondensatore, non sostituiresti mai la batteria e potresti ricaricarla in pochi secondi, ma durerebbe solo mezz'ora, dice Joel schindall , professore di ingegneria elettrica al MIT.
Finora, gli ultracondensatori sono stati limitati ad applicazioni di nicchia che richiedono un'elevata potenza e una ricarica rapida e ripetitiva. Ad esempio, i dispositivi forniscono rapide raffiche di energia ad autobus, camion e treni della metropolitana leggera su brevi tratti e la frenata li rifornisce. Se potessero immagazzinare più energia, tuttavia, potrebbero essere un sostituto potente e duraturo delle batterie nei veicoli ibridi elettrici e nell'elettronica portatile.
I ricercatori hanno cercato a lungo di aumentare l'accumulo di energia negli ultracondensatori migliorando il design degli elettrodi. Schindall e i suoi colleghi stanno cercando di realizzare elettrodi rivestiti con nanotubi di carbonio, che hanno una superficie maggiore rispetto al carbone attivo e sono ottimi conduttori. Altri gruppi di ricerca stanno utilizzando materiali migliori per l'immagazzinamento della carica, come l'ossido di manganese e i polimeri conduttori.
Il nuovo elettrodo combina i vantaggi di questi due metodi. In primo luogo, i ricercatori coltivano una serie di nanotubi di carbonio su un foglio di tantalio metallico, comunemente usato nei condensatori. Quindi crescono nanoparticelle a forma di fiore larghe 100 nanometri direttamente sull'array. I nanotubi crescono più o meno verticalmente, ma non sono molto rigidi e tendono a cadere l'uno sull'altro. I nanofiori crescono principalmente alle giunzioni di più nanotubi e hanno un'ampia superficie (236 metri quadrati per grammo) rispetto alle tipiche particelle di ossido di manganese.
Ogni nanofiore di ossido di manganese è collegato direttamente con la lamina di tantalio da due o più autostrade elettroniche, i nanotubi di carbonio, afferma Gaoping Cao, co-leader di Zhang nel progetto. Questa rete di conduzione superiore consente un trasporto efficiente della carica. Quando la corrente scorre attraverso la lamina di tantalio, le cariche vengono rapidamente trasferite e immagazzinate nell'ossido di manganese: l'elettrodo immagazzina il doppio della carica rispetto allo stesso volume di carbone attivo. L'elevata conduttività dei nanotubi potrebbe anche fornire loro una maggiore potenza in uscita rispetto agli attuali ultracondensatori, affermano i ricercatori.
Il modo di far crescere l'ossido di manganese su array di nanotubi di carbonio è nuovo e ha prodotto bellissime strutture, afferma Yury Gogotsi , professore di scienze dei materiali e ingegneria alla Drexel University. Gogotsi afferma che combinare l'elevata conduttività dei nanotubi di carbonio con la capacità di accumulo di carica dell'ossido di manganese è un approccio interessante. Ma, aggiunge, non è pratico per grandi volumi, come le applicazioni automobilistiche, perché l'uso di array di nanotubi di carbonio e fogli di tantalio li rende costosi.
In effetti, afferma Schindall, il costo potrebbe essere la principale barriera agli ultracondensatori con elettrodi nanostrutturati. Hanno trovato un modo per far crescere queste strutture, dice, ma ora devono essere in grado di farle crescere abbastanza densamente ed economicamente per essere pratiche.