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Nanocondensatori con accumulo di grande energia
L'ultimo dispositivo elettronico di accumulo di energia immagazzinerebbe molta energia, ma si caricherebbe anche rapidamente e fornirebbe potenti raffiche quando necessario. Purtroppo, i dispositivi di oggi possono fare solo l'uno o l'altro: i condensatori forniscono un'elevata potenza, mentre le batterie offrono un'elevata capacità di archiviazione.
Potenza nanopori: Gli array di condensatori costruiti all'interno dei nanopori sono mostrati qui in un'immagine al microscopio elettronico a scansione sovrapposta a un'illustrazione che mostra il loro design. I pori sono incisi in un substrato di alluminio (giallo scuro). I condensatori formano due sottili strati di metallo (blu) separati da uno strato di materiale isolante (giallo chiaro).
Ora i ricercatori dell'Università del Maryland hanno sviluppato una sorta di condensatore che riunisce queste qualità. La ricerca è nelle sue fasi iniziali e il dispositivo dovrà essere ampliato per essere pratico, ma i risultati iniziali mostrano che può immagazzinare 100 volte più energia rispetto ai dispositivi precedenti del suo genere. In definitiva, tali dispositivi potrebbero immagazzinare picchi di energia da fonti rinnovabili, come il vento, e fornire quell'energia alla rete elettrica quando necessario. Potrebbero anche alimentare auto elettriche che si ricaricano nel tempo necessario per riempire un serbatoio di benzina, invece delle sei-otto ore che impiegano oggi per ricaricare.
Esistono molti tipi diversi di batterie e condensatori, ma in generale le batterie possono immagazzinare grandi quantità di energia ma tendono a caricarsi lentamente e a consumarsi rapidamente. I condensatori, nel frattempo, hanno una vita più lunga e possono scaricarsi rapidamente, ma immagazzinano molta meno energia totale. Elettrochimici e ingegneri hanno lavorato per risolvere questo problema di accumulo di energia aumentando la potenza delle batterie e aumentando la capacità di stoccaggio dei condensatori.
Ha cantato bok lee , un professore di chimica, e Gary Rubloff , professore di ingegneria e direttore del Maryland NanoCenter , ha creato array nanostrutturati di condensatori elettrostatici. I condensatori elettrostatici sono il tipo più semplice di dispositivo di accumulo di energia elettronica, afferma Rubloff. Immagazzinano la carica elettrica sulla superficie di due elettrodi metallici separati da un materiale isolante; la loro capacità di immagazzinamento è direttamente proporzionale alla superficie di questi elettrodi a sandwich. I ricercatori del Maryland hanno potenziato la capacità di stoccaggio dei loro condensatori utilizzando la nanofabbricazione per aumentare la loro superficie totale. I loro elettrodi funzionano allo stesso modo di quelli che si trovano nei condensatori convenzionali, ma invece di essere piatti, sono tubolari e nascosti in profondità all'interno dei nanopori.
Il processo di fabbricazione inizia con una lastra di vetro rivestita di alluminio. I pori vengono incisi nella piastra trattandola con acido e applicando una tensione. È possibile creare serie molto regolari di pori minuscoli ma profondi, ciascuno di appena 50 nanometri di diametro e profondi fino a 30 micrometri, controllando attentamente le condizioni di reazione. Il processo è simile a quello utilizzato per realizzare i chip di memoria. Successivamente si deposita uno strato molto sottile di metallo, poi un sottile strato di isolante, poi un altro sottile strato di metallo in questi pori, dice Rubloff. Questi tre strati fungono da elettrodi e strato isolante dei nanocondensatori. Uno strato di alluminio si trova sopra il dispositivo e funge da contatto elettrico; l'altro contatto è realizzato con uno strato di alluminio sottostante.
Questa struttura simile a un frattale aumenta notevolmente la superficie, dice Joel schindall , direttore associato del MIT's Laboratorio di Sistemi Elettromagnetici ed Elettronici , che non era coinvolto nei lavori.
In un articolo pubblicato online questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , il gruppo del Maryland descrive la creazione di array larghi 125 micrometri, ciascuno contenente un milione di nanocondensatori. La superficie di ciascun array è 250 volte maggiore di quella di un condensatore convenzionale di dimensioni comparabili. La capacità di archiviazione degli array è di circa 100 microfarad per centimetro quadrato.
Ma la superficie non è l'unico fattore determinante della densità di energia. I nanocondensatori del gruppo del Maryland beneficiano anche della distanza molto ridotta tra i loro elettrodi e il lavoro è unico in questo senso, afferma Robert Hebner , direttore del Centro per l'elettromeccanica presso l'Università del Texas ad Austin. Hebner non è stato coinvolto nella ricerca del Maryland.
Se gli elettrodi sono distanti, cariche simili sulle loro superfici si respingono fortemente. Quando gli elettrodi sono posizionati più vicini tra loro, le cariche negative e positive su entrambi i lati bilanciano queste forze repulsive e più carica totale può essere immagazzinata in una data area. Lo spessore totale di ciascun nanocondensatore è di soli 25 nanometri e le cariche possono impacchettarsi molto vicine tra loro. È impressionante, dice Hebner. Spero che possano ridimensionarlo.
Finora, gli array di nanocondensatori non possono immagazzinare molta energia totale perché sono così piccoli. Invece di creare questi piccoli punti, vogliamo creare una vasta area che contenga miliardi di nanocondensatori per immagazzinare grandi quantità di energia, afferma Lee. Sia lui che Rubloff affermano che scalare fino a un livello pratico non è banale, ma la coppia sta lavorando insieme per creare array più grandi. Ci sono molti problemi di scalabilità, dice Rubloff. Vedremo quanto possiamo renderli grandi e continuare a farli funzionare tutti.
Anche se questo problema viene risolto, dovranno comunque assicurarsi di poter connettere efficacemente più array tra loro. Ma Hebner afferma che questo problema non è intrattabile e indica i dispositivi sul mercato, inclusi i rilevatori magnetici sensibili, che superano con successo problemi di connettività simili.
Un vantaggio del nuovo metodo di fabbricazione è che le dimensioni dei nanopori e i rispettivi spessori dell'elettrodo e dell'isolante possono essere accuratamente controllati. Regolarità e uniformità sono fondamentali per trasformare le nanotecnologie in qualcosa di producibile e commercializzabile, afferma Rubloff. Ci sono ancora grossi ostacoli, ma stiamo cercando di decidere come commercializzarlo: c'è sicuramente una sete di farlo.