Grafene, ideale anche per i supercondensatori

I ricercatori dell'UCLA - University of California, Los Angeles hanno ideato un metodo per la realizzazione di particolari supercondensatori ed ultracondensatori elettrochimici impiegando il grafene per la produzione degli elettrodi, riuscendo così ad incrementare significativamente le prestazioni di questi dispositivi e rendendoli idonei ad impieghi di stoccaggio energetico.

I supercondensatori differiscono dai condensatori tradizionali che si possono trovare in qualunque dispositivo elettronico, principalmente per il fatto che possono conservare una quantità di carica considerevolmente superiore. Da qualche tempo vengono indagate le possibilità di impiegare i supercondensatori come dispositivi di stoccaggio energetico dal momento che possono caricarsi e scaricarsi in maniera molto più rapida rispetto alle batterie, ma sono ancora limitati da basse densità di energia, pari solamente ad una frazione di quanto possibile con le normali batterie.

Un supercondensatore in grado di abbinare le prestazioni di carica e potenza dei condensatori con la densità di energia delle batterie rappresenterebbe un passo avanti significativo nelle tecnologie di stoccaggio dell'energia. Per poter arrivare a questo traguardo sono pero necessari nuovi elettrodi che non solo mantengano un'elevata conducibilità elettrica, ma che mettano a disposizione una maggiore superficie rispetto agli elettrodi a carboni attivi dei supercondensatori tradizionali.

Le prestazioni di un dispositivo per lo stoccaggio di energia vengono valutate in base a due elementi, la densità di energia e la densità di potenza. Per semplificare, immaginiamo di utilizzare un dispositivo di questo tipo per alimentare un'automobile elettrica: la densità di energia indica l'autonomia dell'auto con una singola carica, mentre la densità di potenza ci dice quale sia la velocità massima raggiungibile.

I ricercatori dell'UCLA hanno utilizzato un comunissimo masterizzatore DVD con tecnologia LightScribe per la produzione di questi elettrodi, che sono composti da una rete di grafene che mostra eccellenti proprietà meccaniche ed elettriche, così come un'elevatissima superficie di scambio, ricoprendo un disco DVD con uno strato di ossido di grafite. I supercondensatori realizzati con questi nuovi elettrodi, denominati Laser Scribed Graphene (LSG), mostrano valori di densità energia molto elevati anche con differenti elettroliti, mantenendo l'elevata densità di potenza e l'eccellente stabilità di ciclo propria del supercondensatore. I supercondensatori così realizzati mantengono inoltre eccellenti proprietà elettrochimiche anche sotto elevato stress meccanico.

Richard B. Kaner, professore di chimica e di scienze ed ingegneria dei materiali, commenta: "Il nostro studio dimostra che i supercondensatori basati sul grafene conservano più carica rispetto alle batterie convenzionali, ma possono essere caricati e scaricati da centinaia a migliaia di volte più velocemente". "Qui presentiamo un metodo per la realizzazione di supercondensatori ad elevate prestazioni basati sul grafene mediante un approccio molto semplice che evita di dover re-impilare i fogli di grafene" gli fa eco Maher F. El-Kady, principale autore della pubblicazione su Science.

Gli elettrodi realizzati con questo metodo non mostrano i problemi che affliggono i convenzionali elettrodi a carbone attivo e che hanno rappresentato fino ad ora un limite alle prestazioni dei supercondensatori commerciali. Il laser LightScribe permette anzitutto la simultanea riduzione ed esfoliazione dell'ossido di grafite, producendo una rete aperta di LSG con una maggior superficie accessibile.

Gli elettrodi LSG sono inoltre caratterizzati da una buona robustezza meccanica e hanno maggior conducibilità rispetto ai carboni attivi (oltre 1700S/m rispetto ai 10-100S/m) il che si traduce nella possibilità di impiegare tali elettrodi senza la necessità di usare collettori di corrente come accade per i supercondensatori convenzionali a carboni attivi. Queste proprietà consentono agli elettrodi LSG di agire sia da materiale attivo, sia da collettore e la combinazione di entrambe le funzioni in un singolo strato porta ad avere un'architettura più semplice rendendo i supercondensatori LSG maggiormente efficienti dal punto di vista dei costi.

I supercondensatori commercialmente disponibili consistono di un separatore interposto tra due elettrodi con un elettrolita liquido che è avvolto a spirale e inserito all'interno di un contenitore cilindrico o impilato in una cella a bottone. Questi dispositivi però possono essere soggetti a pericolose perdite del liquido elettrolita e la loro conformazione non dona una sufficiente flessibilità per l'impiego all'interno di dispositivi elettronici.

Il team di ricercatori ha sostituito l'elettrolita liquido con un polimero gel che agisce anche da separatore, riducendo così lo spessore del dispositivo ed il suo peso, semplificando il processo di fabbricazione dal momento che non sono necessari speciali materiali per il packaging. Per valutare in condizioni reali il potenziale di questi dispositivi, il team di ricerca ha collocato uno di questi supercondensatori sotto costante stress meccanico per analizzarne le prestazioni, prendendo atto di come in realtà non vi siano effetti sulle prestazioni del dispositivo. "Attribuiamo le elevate prestazioni e la resistenza alla flessibilità meccanica degli elettrodi, assieme alle strutture di rete tra gli elettrodi stessi e l'elettrolita in gel. L'elettrolita si solidifica durante l'assemblaggio e agisce come una colla che mantiene assemblati i componenti del dispositivo" ha spiegato Kaner.

Questo livello prestazionale non è mai stato raggiunto in dispositivi commerciali e i risultati mostrano come i supercondensatori basati sul grafene possono portare a sistemi di stoccaggio di energia ad elevate prestazioni, per la prossima generazione di dispositivi elettronici portatili.