SUPERCONDENSATORI DI GRAFENE - COSA SONO?

Gli scienziati hanno lottato per sviluppare soluzioni di accumulo di energia come batterie e condensatori in grado di tenere il passo con l'attuale tasso di evoluzione dei componenti elettronici per un certo numero di anni. Sfortunatamente, la situazione in cui ci troviamo ora è che mentre siamo in grado di immagazzinare una grande quantità di energia in alcuni tipi di batterie, queste batterie sono molto grandi, molto pesanti e caricano e rilasciano la loro energia in modo relativamente lento.

I condensatori, d'altra parte, possono essere caricati e rilasciare energia molto rapidamente, ma possono trattenere molta meno energia di una batteria. Tuttavia, gli sviluppi dell'applicazione del grafene hanno portato a nuove possibilità di accumulo di energia, con elevate velocità di carica e scarica, che possono essere realizzate in modo molto economico.

Ma prima di entrare nei dettagli specifici, sarebbe opportuno delineare innanzitutto le basi dell'accumulo di energia e i potenziali obiettivi dello sviluppo del grafene come supercondensatore.

Condensatori e Supercondensatori

Un condensatore è un mezzo di accumulo di energia simile a una batteria elettrochimica. La maggior parte delle batterie, sebbene in grado di immagazzinare una grande quantità di energia, sono relativamente inefficienti rispetto ad altre soluzioni energetiche come i combustibili fossili. Si dice spesso che una batteria elettrochimica da 1 kg sia in grado di produrre molta meno energia di 1 litro di benzina; ma questo tipo di confronto è estremamente vago, matematicamente illogico e dovrebbe essere ignorato.

In effetti, alcune batterie elettrochimiche possono essere relativamente efficienti, ma ciò non aggira il fattore limitante primario nelle batterie che sostituiscono i combustibili fossili in applicazioni commerciali e industriali (ad esempio, trasporti) che è il tempo di ricarica.

Le batterie ad alta capacità impiegano molto tempo per caricarsi. Ecco perché i veicoli a propulsione elettrica non sono decollati come ci aspettavamo venti o trent'anni fa. Mentre ora si è in grado di percorrere 500 Km o più con una singola carica in un'auto come la Tesla, potrebbero essere necessarie più di 43 ore per caricare il veicolo utilizzando una presa a muro standard da 230 V per tornare a casa.

Questo non è accettabile per molti utenti di auto. I condensatori, d'altra parte, possono essere caricati a una velocità molto più elevata, ma immagazzinano (come già accennato) un po' meno energia.

I supercondensatori, noti anche come ultracondensatori, sono in grado di trattenere centinaia di volte la quantità di carica elettrica dei condensatori standard e sono quindi adatti come sostituto delle batterie elettrochimiche in molte applicazioni industriali e commerciali. I supercondensatori funzionano anche a temperature molto basse; una situazione che può impedire il funzionamento di molti tipi di batterie elettrochimiche.

Per questi motivi, i supercondensatori vengono già utilizzati nelle radio di emergenza e nelle torce elettriche, dove l'energia può essere prodotta cineticamente (avvolgendo una maniglia, ad esempio) e quindi immagazzinata in un supercondensatore per il dispositivo da utilizzare.

Un condensatore convenzionale è costituito da due strati di materiali conduttivi (che alla fine si caricano positivamente e negativamente) separati da un isolante. Ciò che determina la quantità di carica che un condensatore può contenere è la superficie dei conduttori, la distanza tra i due conduttori e anche la costante dielettrica dell'isolatore.

I supercondensatori sono leggermente diversi in quanto non contengono un isolante solido. Invece le due piastre conduttive in una cella sono rivestite con un materiale poroso, più comunemente carbone attivo, e le celle sono immerse in una soluzione elettrolitica. Il materiale poroso avrà idealmente una superficie estremamente elevata (1 grammo di carbone attivo può avere una superficie stimata pari a quella di un campo da tennis), e poiché la capacità di un supercondensatore è dettata dalla distanza tra i due strati e il superficie del materiale poroso, possono essere raggiunti livelli di carica molto elevati.

Sebbene i supercondensatori siano in grado di immagazzinare molta più energia rispetto ai condensatori standard, sono limitati nella loro capacità di resistere all'alta tensione. I condensatori elettrolitici sono in grado di funzionare a centinaia di volt, ma i supercondensatori sono generalmente limitati a circa 5 volt. Tuttavia, è possibile progettare una catena di supercondensatori per funzionare ad alta tensione purché la serie sia adeguatamente progettata e controllata.

Supercondensatori a base di Grafene I supercondensatori, purtroppo, sono attualmente molto costosi da produrre e attualmente la scalabilità dei supercondensatori nell'industria limita le opzioni di applicazione poiché l'efficienza energetica viene compensata dall'efficienza dei costi. Questo è il motivo per cui un documento dei ricercatori della UCLA è stato così ampiamente citato nei circoli scientifici e nelle pubblicazioni poiché sono stati in grado di produrre supercondensatori fatti di grafene utilizzando un semplice masterizzatore DVD LightScribe su un PC domestico.

Questa idea di creare monostrati di grafene utilizzando la termolitografia non è necessariamente nuova, poiché scienziati statunitensi sono stati in grado di produrre nanofili di grafene utilizzando la nanolitografia termochimica nel 2010; tuttavia, questo nuovo metodo evita l'uso di un microscopio a forza atomica a favore di un dispositivo laser disponibile in commercio che è già diffuso in molte case in tutto il mondo.

Perché gli scienziati stanno cercando di utilizzare il grafene al posto del carbone attivo attualmente più popolare? Bene, il grafene è essenzialmente una forma di carbonio, e mentre il carbone attivo ha un'area superficiale relativa estremamente elevata, il grafene ne ha sostanzialmente di più. Come abbiamo già evidenziato, uno dei limiti alla capacità degli ultracondensatori è la superficie dei conduttori. Se un materiale conduttivo in un supercondensatore ha una superficie relativa maggiore di un altro, sarà in grado di meglio immagazzinare la carica elettrostatica. Inoltre, essendo un materiale costituito da un unico strato atomico, è più leggero.

Un altro punto interessante è che poiché il grafene è essenzialmente solo grafite, che è una forma di carbonio, è ecologico, a differenza della maggior parte delle altre forme di accumulo di energia.

L'efficienza del supercondensatore è un fattore importante da tenere a mente. In passato, gli scienziati sono stati in grado di creare supercondensatori in grado di immagazzinare 150 Farad per grammo, ma alcuni hanno suggerito che il limite superiore teorico per i supercondensatori a base di grafene è di 550 F/g.

Ciò è particolarmente impressionante se confrontato con la tecnologia attuale: un condensatore disponibile in commercio in grado di immagazzinare 1 Farad di energia elettrostatica a 100 volt sarebbe alto circa 220 mm e peserebbe circa 2 kg, sebbene l'attuale tecnologia dei supercondensatori sia più o meno la stessa, in termini di dimensioni rispetto a valori di accumulo di energia, come sarebbe un supercondensatore a base di grafene.

Il Futuro dei Supercondensatori a base di Grafene

A causa delle dimensioni leggere dei supercondensatori a base di grafene e del costo minimo di produzione unito alle proprietà elastiche del grafene e alla resistenza meccanica ereditata, vedremo quasi certamente la tecnologia entro i prossimi cinque-dieci anni che incorporerà questi supercondensatori. Inoltre, con l'aumento dello sviluppo in termini di limiti di immagazzinamento dell'energia per i supercondensatori in generale, i supercondensatori ibridi o basati sul grafene verranno eventualmente utilizzati in una serie di applicazioni differenti.

I veicoli che utilizzano supercondensatori sono già prevalenti nella nostra società. Una società cinese sta attualmente producendo autobus che incorporano sistemi di recupero energetico dei supercondensatori, come quelli utilizzati sulle auto di Formula 1, per immagazzinare energia durante la frenata e quindi convertirla per alimentare il veicolo fino alla fermata successiva.

Inoltre, ad un certo punto nei prossimi anni inizieremo a vedere telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici mobili alimentati da supercondensatori poiché non solo possono essere caricati a una velocità molto più elevata rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, ma hanno anche la potenzialità di durare per un periodo di tempo notevolmente maggiore.

Altri usi attuali e potenziali dei supercondensatori sono come alimentatori di backup per l'industria o anche per le nostre case. Le aziende possono investire in soluzioni di backup di potenza in grado di immagazzinare elevati livelli di energia ad alte tensioni, offrendo efficacemente la piena potenza a loro disposizione, per ridurre il rischio di dover limitare la produzione a causa di quantità di energia inadeguate.

In alternativa, se hai un veicolo a celle a combustibile in grado di immagazzinare una grande quantità di energia elettrica, perché non utilizzarlo per alimentare la tua casa in caso di interruzione di corrente? Possiamo aspettarci che questo scenario di utilizzo di soluzioni avanzate di accumulo e recupero di energia sarà molto più ampiamente utilizzato nei prossimi anni con l'aumento dell'efficienza e della densità energetica dei supercondensatori e la diminuzione dei costi di produzione. Mentre i supercondensatori a base di grafene sono attualmente una soluzione praticabile in futuro, la tecnologia deve essere sviluppata per trasformarla in realtà.

Ma state tranquilli, molte aziende in tutto il mondo stanno già sperimentando prodotti che utilizzano questa tecnologia e stanno creando nuovi modi per aiutare a sostituire l'uso di combustibili fossili e sostanze chimiche tossiche nella nostra ricerca sempre più impegnativa per l'energia verde.