I supercondensatori sono un tipo di dispositivo dal nome appropriato in grado di immagazzinare e fornire energia più velocemente rispetto alle batterie convenzionali. Sono molto richiesti per applicazioni tra cui auto elettriche, telecomunicazioni wireless e laser ad alta potenza.

Ma per realizzare queste applicazioni, i supercondensatori necessitano di elettrodi migliori, che colleghino il supercondensatore ai dispositivi che dipendono dalla loro energia. Questi elettrodi devono essere più veloci ed economici da produrre su larga scala e anche in grado di caricare e scaricare il carico elettrico più velocemente. Un team di ingegneri dell'Università di Washington pensa di aver messo a punto un processo per la produzione di materiali per elettrodi per supercondensatori in grado di soddisfare queste rigorose esigenze industriali e di utilizzo.

I ricercatori, guidati dall'assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali della UW Peter Pauzauskie, hanno pubblicato un articolo il 17 luglio sulla rivista Nature Microsystems and Nanoengineering descrivendo il loro elettrodo supercondensatore e il modo veloce ed economico con cui lo hanno realizzato. Il loro nuovo metodo inizia con materiali ricchi di carbonio che sono stati essiccati in una matrice a bassa densità chiamata aerogel. Questo aerogel da solo può agire come un elettrodo grezzo, ma il team di Pauzauskie ha più che raddoppiato la sua capacità, che è la sua capacità di immagazzinare carica elettrica.

Questi materiali di partenza economici, abbinati a un processo di sintesi ottimizzato, riducono al minimo due ostacoli comuni all’applicazione industriale: costo e velocità.

"Nelle applicazioni industriali, il tempo è denaro", ha affermato Pauzauskie. “Possiamo produrre i materiali di partenza per questi elettrodi in poche ore, anziché in settimane. E questo può ridurre significativamente i costi di sintesi per realizzare elettrodi di supercondensatori ad alte prestazioni”.

Gli elettrodi supercondensatori efficaci sono sintetizzati da materiali ricchi di carbonio che hanno anche un'elevata area superficiale. Quest’ultimo requisito è fondamentale a causa del modo unico in cui i supercondensatori immagazzinano la carica elettrica. Mentre una batteria convenzionale immagazzina cariche elettriche attraverso le reazioni chimiche che avvengono al suo interno, un supercondensatore immagazzina e separa invece le cariche positive e negative direttamente sulla sua superficie.

“I supercondensatori possono agire molto più velocemente delle batterie perché non sono limitati dalla velocità della reazione o dai sottoprodotti che possono formarsi”, ha affermato il co-autore principale Matthew Lim, uno studente di dottorato della UW presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "I supercondensatori possono caricarsi e scaricarsi molto rapidamente, motivo per cui sono eccellenti nel fornire questi 'impulsi' di potenza."

"Hanno grandi applicazioni in ambienti in cui una batteria da sola è troppo lenta", ha affermato il collega autore principale Matthew Crane, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'UW. “Nei momenti in cui una batteria è troppo lenta per soddisfare le richieste di energia, un supercondensatore con un elettrodo ad alta superficie potrebbe “entrare in azione” rapidamente e compensare il deficit energetico”.

Per ottenere un'area superficiale elevata per un elettrodo efficiente, il team ha utilizzato degli aerogel. Si tratta di sostanze umide, simili a gel, che hanno subito uno speciale trattamento di essiccazione e riscaldamento per sostituire i loro componenti liquidi con aria o un altro gas. Questi metodi preservano la struttura tridimensionale del gel, conferendogli un'elevata area superficiale e una densità estremamente bassa. È come rimuovere tutta l'acqua dalla gelatina senza restringerla.

"Un grammo di aerogel contiene circa la stessa superficie di un campo di calcio", ha detto Pauzauskie.

Crane ha realizzato aerogel partendo da un polimero simile al gel, un materiale con unità strutturali ripetitive, creato da formaldeide e altre molecole a base di carbonio. Ciò ha garantito che il loro dispositivo, come gli attuali elettrodi dei supercondensatori, fosse costituito da materiali ricchi di carbonio.

In precedenza, Lim aveva dimostrato che l’aggiunta di grafene – che è un foglio di carbonio spesso solo un atomo – al gel ha conferito all’aerogel risultante proprietà di supercondensatore. Ma Lim e Crane dovevano migliorare le prestazioni dell'aerogel e rendere il processo di sintesi più economico e semplice.

Nei precedenti esperimenti di Lim, l'aggiunta di grafene non aveva migliorato la capacità dell'aerogel. Quindi hanno invece caricato gli aerogel con fogli sottili di bisolfuro di molibdeno o disolfuro di tungsteno. Entrambe le sostanze chimiche sono oggi ampiamente utilizzate nei lubrificanti industriali.

I ricercatori hanno trattato entrambi i materiali con onde sonore ad alta frequenza per scomporli in fogli sottili e incorporarli nella matrice gel ricca di carbonio. Potrebbero sintetizzare un gel umido completamente carico in meno di due ore, mentre altri metodi richiederebbero molti giorni.

Dopo aver ottenuto l’aerogel essiccato e a bassa densità, lo hanno combinato con adesivi e un altro materiale ricco di carbonio per creare un “impasto” industriale che Lim poteva semplicemente stendere in fogli spessi solo pochi millesimi di pollice. Hanno tagliato dischi da mezzo pollice dall'impasto e li hanno assemblati in semplici involucri di batterie a bottone per testare l'efficacia del materiale come elettrodo supercondensatore.

Non solo i loro elettrodi erano veloci, semplici e facili da sintetizzare, ma avevano anche una capacità maggiore almeno del 127% rispetto al solo aerogel ricco di carbonio.

Lim e Crane si aspettano che gli aerogel caricati con fogli ancora più sottili di disolfuro di molibdeno o disolfuro di tungsteno (i loro avevano uno spessore compreso tra 10 e 100 atomi) mostrerebbero prestazioni ancora migliori. Ma prima volevano dimostrare che gli aerogel caricati sarebbero stati più veloci ed economici da sintetizzare, un passo necessario per la produzione industriale. La messa a punto viene dopo.

Il team ritiene che questi sforzi possano aiutare a far avanzare la scienza anche al di fuori del campo degli elettrodi dei supercondensatori. Il loro disolfuro di molibdeno sospeso nell’aerogel potrebbe rimanere sufficientemente stabile da catalizzare la produzione di idrogeno. E il loro metodo per intrappolare rapidamente i materiali negli aerogel potrebbe essere applicato a batterie ad alta capacità o alla catalisi.