La struttura disordinata migliora le prestazioni dei dispositivi simili a batterie

La densità energetica dei supercondensatori – dispositivi simili a batterie che possono caricarsi in pochi secondi o pochi minuti – può essere migliorata aumentando il “disordine” nella loro struttura interna.

I ricercatori guidati dall'Università di Cambridge hanno utilizzato tecniche di modellazione sperimentale e computazionale per studiare gli elettrodi di carbonio porosi utilizzati nei supercondensatori. Hanno scoperto che gli elettrodi con una struttura chimica più disordinata immagazzinavano molta più energia rispetto agli elettrodi con una struttura altamente organizzata.

Gli ultracondensatori sono una tecnologia chiave per la trasmissione di energia e possono essere utili per alcune forme di trasporto pubblico, nonché per la gestione della generazione intermittente di energia solare ed eolica, ma la loro adozione è stata limitata dalla scarsa densità di potenza.

I ricercatori affermano che i loro risultati, pubblicati sulla rivista Science, rappresentano una svolta in questo campo e potrebbero rivitalizzare lo sviluppo di questa importante tecnologia per l’azzeramento delle emissioni nette.

Come le batterie, i supercondensatori immagazzinano energia, ma i supercondensatori possono essere caricati in pochi secondi o pochi minuti, mentre le batterie impiegano molto più tempo. I supercondensatori sono più durevoli delle batterie e possono durare milioni di cicli di ricarica. Tuttavia, la bassa densità energetica dei supercondensatori li rende inadatti a fornire accumulo di energia a lungo termine o alimentazione continua.

“Gli ultracondensatori sono una tecnologia complementare alle batterie, non un sostituto”, ha affermato. Dottor Alex Forza Dal Dipartimento di Chimica dell'Università di Cambridge, Yusuf Hameed, che ha guidato la ricerca. “La sua durata e le capacità di ricarica estremamente rapide lo rendono utile per un'ampia gamma di applicazioni.”

Ad esempio, un autobus, un treno o una metropolitana alimentati da supercondensatori possono caricarsi completamente nel tempo necessario per consentire ai passeggeri di scendere e salire, fornendogli energia sufficiente per arrivare alla fermata successiva. Ciò eliminerebbe la necessità di installare qualsiasi infrastruttura di ricarica lungo la linea. Tuttavia, prima che i supercondensatori possano essere ampiamente utilizzati, la loro capacità di immagazzinare energia deve essere migliorata.

Mentre una batteria utilizza reazioni chimiche per immagazzinare e rilasciare la carica, un supercondensatore si basa sul movimento di molecole cariche tra elettrodi di carbonio porosi, che hanno una struttura altamente disordinata. “Pensa a un foglio di grafene, che ha una struttura chimica molto organizzata”, ha detto Force. “Se tagli questo foglio di grafene in una sfera, ottieni un pasticcio irregolare, un po' come l'elettrodo in un supercondensatore.”

A causa del caos intrinseco degli elettrodi, è stato difficile per gli scienziati studiarli e determinare quali parametri siano più importanti quando si cerca di migliorare le prestazioni. Questa mancanza di un chiaro consenso ha fatto vacillare un po’ il settore.

Molti scienziati ritengono che la dimensione dei minuscoli fori, o nanopori, presenti negli elettrodi di carbonio sia fondamentale per migliorare la capacità energetica. Tuttavia, il team di Cambridge ha analizzato una serie di nanoelettrodi di carbonio disponibili in commercio e ha scoperto che non esisteva alcun legame tra la dimensione dei pori e la capacità di stoccaggio.

Fors e i suoi colleghi hanno adottato un approccio innovativo e hanno utilizzato la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), un tipo di “risonanza magnetica” per le batterie, per studiare i materiali degli elettrodi. Hanno scoperto che il disordine dei materiali, a lungo ritenuto un ostacolo, era in realtà la chiave del loro successo.

“Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, abbiamo scoperto che la capacità di accumulo di energia è correlata a quanto è disordinato il materiale: più il materiale è disordinato è in grado di immagazzinare più energia”, ha affermato il primo autore Xinyu Liu, un dottorando co-supervisionato da Fors e La professoressa Clare Gray. “Il caos è una cosa difficile da misurare – è possibile solo grazie alla risonanza magnetica nucleare e alle nuove tecniche di simulazione, motivo per cui il caos è una caratteristica trascurata in questo campo”.

Quando i materiali degli elettrodi vengono analizzati mediante la spettroscopia NMR, viene prodotto uno spettro con diversi picchi e valli. La posizione del picco indica quanto è ordinato o disordinato il carbonio. “Non era nei nostri piani cercarlo, è stata una grande sorpresa”, ha detto Force. “Quando abbiamo tracciato la posizione del picco rispetto alla capacità energetica, è emersa una sorprendente correlazione: i materiali più disordinati avevano quasi il doppio della capacità dei materiali più ordinati”.

Allora perché il caos è positivo? Force dice che questa è la prossima cosa su cui la squadra sta lavorando. Atomi di carbonio più disordinati immagazzinano gli ioni in modo più efficiente nei nanopori e il team spera di utilizzare questi risultati per progettare supercondensatori migliori. Il caos di un materiale è determinato nel momento della sua fabbricazione.

“Vogliamo esplorare nuovi modi per produrre questi materiali, per vedere fino a che punto il caos può portare in termini di miglioramento dello stoccaggio dell’energia”, ha affermato Force. “Questo potrebbe essere un punto di svolta in un campo che è rimasto bloccato per un po'. Claire e io abbiamo iniziato a lavorare su questo argomento più di dieci anni fa, ed è emozionante vedere che molti dei nostri precedenti lavori seminali ora hanno una chiara applicazione. “

La ricerca è stata sostenuta in parte dal Cambridge Trusts, dal Consiglio europeo della ricerca e dall’UK Research and Innovation (UKRI).