Due approcci innovativi per aumentare la capacità di carica dei condensatori stanno mostrando risultati promettenti, grazie a ricerche indipendenti pubblicate contemporaneamente. Questi sviluppi potrebbero trasformare i supercondensatori in dispositivi di stoccaggio energetico più potenti, aprendo la strada a potenziali applicazioni su larga scala.
I supercondensatori hanno sempre avuto il vantaggio rispetto alle batterie per la loro capacità di rilasciare rapidamente l’energia immagazzinata. Tuttavia, finora non sono stati in grado di contenere abbastanza carica per soddisfare le esigenze energetiche della società. Sebbene ci siano stati progressi occasionali, il calo dei prezzi delle batterie al litio ha ridotto le opportunità di competizione per i supercondensatori.
Tuttavia, due recenti articoli pubblicati su Science esplorano significativi miglioramenti nella capacità dei condensatori. Questi studi indicano che potrebbero essere possibili avanzamenti significativi, anche se resta da vedere se entrambi gli approcci possano essere scalati con successo.
Tutti i condensatori operano sullo stesso principio di base: cariche positive e negative vengono separate e immagazzinate con un materiale isolante per evitare la ricombinazione. L’attivazione di uno switch consente alle cariche di fluire, generando corrente elettrica per varie applicazioni. Attualmente, un singolo laptop o smartphone può contenere centinaia di condensatori, evidenziando la necessità di dispositivi compatti.
I supercondensatori, come suggerisce il nome, offrono una capacità molto maggiore rispetto ai condensatori tradizionali. Sebbene siano stati utilizzati con successo per il recupero dell’energia in frenata, le versioni attuali non sono ancora competitive con le batterie per l’uso in veicoli a lunga percorrenza.
Per superare questa sfida, è necessario aumentare la capacità dei supercondensatori, trovando materiali che possano trattenere grandi quantità di carica in modo efficiente ed economico. Ad esempio, il BaTiO3, un materiale ferroelettrico comunemente utilizzato nei condensatori, ha dimostrato limitazioni legate alla polarizzazione residua e alla degradazione dei cristalli.
Un team di ricercatori provenienti da istituzioni coreane e americane ha sviluppato una struttura tridimensionale che ha permesso di ridurre la polarizzazione residua e aumentare la capacità di immagazzinamento energetico del condensatore a 191,7 joule per centimetro cubo, con un’efficienza di rilascio superiore al 90%. Questo rappresenta un significativo miglioramento rispetto ai condensatori commerciali attuali, che immagazzinano circa 10 joule per centimetro cubo.
Il dottor Sang-Hoon Bae dell’Università di Washington a St. Louis ha dichiarato: “Abbiamo sviluppato una nuova struttura basata sulle nostre innovazioni nei materiali bidimensionali. Inizialmente non eravamo focalizzati sullo stoccaggio energetico, ma durante le nostre ricerche abbiamo scoperto un nuovo fenomeno fisico che potrebbe essere applicato con successo in questo ambito.”
Sebbene il lavoro di Bae e del suo team sia ancora in fase sperimentale, i risultati preliminari sono promettenti e superano le prestazioni di altri laboratori. Il prossimo obiettivo sarà perfezionare ulteriormente la struttura del materiale per garantire ricariche e scariche ultraveloci e una densità energetica elevata, senza compromettere la capacità di stoccaggio durante l’uso ripetuto.
Nello stesso numero di Science, un altro gruppo di scienziati dell’Università di Cambridge ha presentato risultati innovativi riguardanti l’ottimizzazione della capacità dei supercondensatori con elettrodi di carbonio. Contrariamente alle convinzioni precedenti, la dimensione dei pori non è risultata essere il principale fattore determinante. Gli studi hanno evidenziato che il disordine strutturale nei domini dei condensatori è cruciale per aumentare l’efficienza di stoccaggio dell’energia.
Secondo gli autori, i carburi con domini più disordinati e dimensioni più ridotte mostrano una capacità superiore grazie a una maggiore efficienza nello stoccaggio degli ioni nei nanopori. Questo suggerisce che la localizzazione delle cariche nei domini più piccoli favorisca interazioni più intense tra ioni e atomi di carbonio, migliorando l’efficienza complessiva dello stoccaggio energetico.
Entrambi gli studi, pubblicati su Science, offrono prospettive interessanti per il futuro sviluppo dei supercondensatori, aprendo la strada a nuove possibilità nel campo dello stoccaggio energetico e delle tecnologie sostenibili.
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