Batterie più performanti grazie ai supercondensatori

Uno degli aspetti chiave per lo sviluppo della prossima generazione di veicoli elettrici, sistemi di energia solare ed altre tecnologie di energia pulita è rappresentato dalla possibilità di disporre di un modo efficiente per conservare e stoccare l'energia. Una delle modalità attualmente impiegate per la conservazione dell'energia elettrica prevede l'impiego dei supercondensatori, ovvero particolari condensatori in grado di accumulare una quantità di carcia elettrica molto più elevata rispetto ai condensatori tradizionali: le capacità di questi ultimi sono misurate nell'ordine dei millifarad (mF), mentre i supercondensatori sono in grado di stoccare fino a 5000F.

I ricercatori della Tohoku University di Sendai, in Giappone, hanno recentemente condotto alcune ricerche su un materiale denominato "zeolite-templated carbon" ovvero carbonio opportunamente modificato in maniera tale che la struttura cristallina sia simile a quella delle zeoliti, minerali caratterizzati da una struttura cristallina micro-porosa. E' proprio la possibilità di disporre di una struttura porosa che permette di incrementare in maniera considerevole le prestazioni dei supercondensatori.

Per stoccare l'energia elettrica è necessario che il condensatore venga caricato da ioni che migrano da una soluzione verso uno dei due elettrodi, dove vengono assorbiti. Prima di poter raggiungere la superficie dell'elettrodo, gli ioni sono costretti a passare attraverso i pori, nella maniera più veloce ed efficiente possibile. Sinteticamente: più velocemente gli ioni viaggiano attraverso i pori, più velocemente il condensatore viene caricato. Inoltre maggiore è la densità degli ioni assorbiti nell'elettrodo, maggiore sarà la carica che il condensatore può stoccare, risultando così in un'elevata capacità elettrica volumetrica.

In precedenza a questo esperimento sono già stati testati materiali con pori di varie dimensioni e con strutture cristalline differenti, allo scopo di ottenere sia un veloce trasporto di ioni, sia un elevato assorbimento degli stessi all'elettrodo. I due requisiti sembravano tuttavia essere in contrapposizione tra loro dal momento che gli ioni sono in grado di muoversi più velocemente attraverso pori larghi, ma questi ultimi riducono la densità dell'elettrodo e di conseguenza la densità degli ioni asorbiti.

Il carbonio modellato sulla struttura cristallina degli zeoliti presenta pori con un diametro di 1,2 nanometri ed una struttura molto ordinata. Le dimensioni dei pori consentono di mantenere una elevata densità di assorbimento, mentre la struttura ordinata consente un rapido transito degli ioni. In uno studio precedente è stato dimostrato che i nanopori con dimensioni inferiori ad 1,2 nanometri non permettono agli ioni di transitare in maniera sufficientemente veloce. Il diametro di 1,2 nanometri è parso essere il miglior bilanciamento possibile tra prestazioni e capacità volumetrica.

Hirotomo Nishihara, uno dei coautori dell'articolo che è stato pubblicato sull'ultima edizione del Journal of the American Chemical Society, ha commentato: "Ora stiamo tentando di incrementare ulteriormente la densità di energia del carbonio per portarlo allo stesso livello delle batterie secondarie. Se un condensatore di questo verrà sviluppato ed impiegato sui dispositivi mobile, come un telefono cellulare, il tempo di ricarica può essere ridotto sino a pochi minuti. Un'altra importante applicazione futura di questi supecondensatori è la possibilità di realizzare batterie di supporto nei veicoli elettrici per prolungare la vita della batteria. Il raggiungimento di una più elevata densità di energia rappresenta un elemento chiave anche per questo obiettivo.