Un salto di qualità nella progettazione delle batterie

Un concetto di batteria quantistica digitale proposto da un fisico dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign potrebbe fornire un notevole aumento della capacità di accumulo di energia, se soddisfa il suo potenziale teorico una volta costruito.

Il concetto richiede miliardi di condensatori su scala nanometrica e farebbe affidamento su effetti quantistici, gli strani fenomeni che si verificano su scale di dimensioni atomiche, per aumentare l'accumulo di energia. I condensatori convenzionali sono costituiti da una coppia di piastre conduttrici su macroscala, o elettrodi, separate da un materiale isolante. L'applicazione di una tensione crea un campo elettrico nel materiale isolante, immagazzinando energia. Ma tutti questi dispositivi possono contenere solo così tanta carica, oltre la quale si verifica l'arco tra gli elettrodi, sprecando la potenza immagazzinata.

Se i condensatori fossero invece costruiti come array su scala nanometrica, in modo cruciale, con elettrodi distanziati di circa 10 nanometri (o 100 atomi) l'uno dall'altro, gli effetti quantistici dovrebbero sopprimere tale arco. Per anni i ricercatori hanno riconosciuto che i condensatori su nanoscala mostrano campi elettrici insolitamente grandi, suggerendo che la piccola scala dei dispositivi fosse responsabile della prevenzione della perdita di energia. Ma la gente non si rendeva conto che un grande campo elettrico significa una grande densità di energia e potrebbe essere utilizzato per lo stoccaggio di energia che supererebbe di gran lunga qualsiasi cosa abbiamo oggi, afferma Alfred Hubler, il fisico dell'Illinois e autore principale di un carta delineando il concetto, da pubblicare sulla rivista Complessità .

Hubler afferma che la densità di potenza risultante (la velocità con cui l'energia può essere immagazzinata o rilasciata) potrebbe essere di ordini di grandezza maggiore e la densità di energia (la quantità di energia che può essere immagazzinata) da due a 10 volte maggiore di quella possibile con il miglior litio di oggi -ion ​​e altre tecnologie di batteria.

Inoltre, le batterie quantistiche digitali potrebbero essere fabbricate utilizzando le tecnologie di produzione di chip litografici esistenti utilizzando materiali economici e non tossici, come ferro e tungsteno, su un substrato di silicio, afferma. I dispositivi risultanti, in linea di principio, sprecherebbero poca o nessuna energia mentre assorbivano e rilasciavano elettroni. Hubler afferma che potrebbe essere possibile costruire un prototipo da banco in un anno.

Oggi, tuttavia, le batterie quantistiche digitali sono semplicemente un concetto di ricerca in attesa di brevetto. Hubler ha richiesto il finanziamento della Defense Advanced Research Projects Agency per sviluppare un tale prototipo, ma il concetto presenta sfide significative. Non è chiaro se i materiali nanofabbricati non si rompono una volta caricati di energia, afferma Joel schindall , professore di ingegneria elettrica al MIT.

Ma Schindall dice anche che il concetto ha dei meriti. Sono cautamente incuriosito, perché ha alcuni argomenti legittimi per il fatto che a queste dimensioni quantistiche, si prevede che l'effetto di accumulo di energia aumenterà considerevolmente, dice Schindall. La prima sfida è: le sue ipotesi sono corrette o ci sono altri fenomeni che non sono stati esaminati che si intromettono?

In un certo senso, il concetto rappresenta una variazione sui dispositivi micro e nanoelettronici esistenti. Se lo guardi dal punto di vista dell'elettronica digitale, è solo un'unità flash, afferma Hubler. Se lo guardi da una prospettiva di ingegneria elettrica, diresti che si tratta di tubi a vuoto miniaturizzati come nei televisori al plasma. Se parli con un fisico, questa è una rete di condensatori.

La parte digitale del concetto deriva dal fatto che ogni tubo nanovuoto sarebbe indirizzabile individualmente. Per questo motivo, i dispositivi potrebbero essere utilizzati anche per archiviare dati.

Esistono altri metodi per aumentare le prestazioni dei condensatori. Le versioni avanzate, chiamate ultracondensatori, possono immagazzinare energia significativa e operare più rapidamente aumentando la superficie dei loro elettrodi e utilizzando un elettrolita. Il gruppo di Schindall ha aumentato le velocità di carica e scarica e la capacità di stoccaggio degli ultracondensatori tradizionali utilizzando nanotubi di carbonio invece di carbone attivo sulla superficie dell'elettrodo. In sostanza, questo aumenta la superficie dell'elettrodo.

I vantaggi del design di Schindall - aumento di potenza e densità di energia - potrebbero essere cruciali per applicazioni come l'assorbimento rapido di enormi impulsi di energia da un campo di turbine eoliche o pannelli solari, ad esempio. Inoltre, il suo team ha effettivamente costruito un dispositivo da banco. Lo svantaggio è che la densità di energia di una data massa di materiale sarebbe comunque leggermente inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio.

Sebbene Hubler non abbia ancora costruito nulla, osserva che, nel 2005, un gruppo di ricercatori coreani ha dimostrato che i condensatori su scala nanometrica potrebbero essere fabbricati. Tuttavia, il dispositivo di Hubler avrebbe ancora bisogno di miliardi o addirittura trilioni di tali dispositivi.

Sono completamente d'accordo che abbiamo un disperato bisogno di nuovi modi di immagazzinare l'energia elettrica, afferma Schindall. Sebbene possa essere in competizione con quello che sto facendo, gli auguro il massimo successo e spero che funzioni.

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