Potente materiale ibrido in grafene per supercondensatori ad alta efficienza

Un team che lavora con Roland Fischer, professore di chimica inorganica e metallo-organica presso l’Università tecnica di Monaco ha sviluppato un supercondensatore altamente efficiente. La base del dispositivo di accumulo di energia è un materiale ibrido in grafene nuovo, potente e anche sostenibile che ha dati sulle prestazioni comparabili alle batterie attualmente utilizzate. Di solito, l’accumulo di energia è associato a batterie e accumulatori che forniscono energia per dispositivi elettronici. Tuttavia, in laptop, fotocamere, telefoni cellulari o veicoli, i cosiddetti supercondensatori sono installati sempre più spesso in questi giorni. A differenza delle batterie, possono immagazzinare rapidamente grandi quantità di energia e spegnerla altrettanto velocemente. Se, ad esempio, un treno frena quando entra in stazione, i supercondensatori immagazzinano l’energia e la forniscono di nuovo quando il treno ha bisogno di molta energia molto rapidamente durante l’avvio. Tuttavia, un problema con i supercondensatori fino ad oggi era la loro mancanza di densità energetica. Mentre gli accumulatori al litio raggiungono una densità di energia fino a 265 chilowattora, finora i supercondensatori ne hanno erogato solo un decimo. Il materiale sostenibile offre prestazioni elevate Il team che lavora con il chimico TUM Roland Fischer ha ora sviluppato un materiale ibrido di grafene innovativo, potente e sostenibile per i supercondensatori. Serve come elettrodo positivo nel dispositivo di accumulo di energia. I ricercatori lo stanno combinando con un comprovato elettrodo negativo a base di titano e carbonio. Il nuovo dispositivo di accumulo di energia non solo raggiunge una densità di energia fino a 73 Wh/kg, che è approssimativamente equivalente alla densità di energia di una batteria all’idruro di nichel metallico, ma funziona anche molto meglio della maggior parte degli altri supercondensatori con una densità di potenza di 16 kW/kg. Il segreto del nuovo supercondensatore è la combinazione di materiali diversi, quindi i chimici si riferiscono al supercondensatore come “asimmetrico”. Materiali ibridi: la natura è il modello di comportamento I ricercatori stanno scommettendo su una nuova strategia per superare i limiti delle prestazioni dei materiali standard: utilizzano materiali ibridi. “La natura è piena di materiali ibridi altamente complessi e ottimizzati dal punto di vista evolutivo: ossa e denti sono esempi. Le loro proprietà meccaniche, come durezza ed elasticità, sono state ottimizzate per natura attraverso la combinazione di vari materiali”, afferma Roland Fischer. L’idea astratta di combinare i materiali di base è stata trasferita ai supercondensatori dal team di ricerca. Come base, hanno utilizzato il nuovo elettrodo positivo dell’unità di memorizzazione con grafene modificato chimicamente e lo hanno combinato con una struttura organica in metallo nanostrutturato, un cosiddetto MOF. Potente e stabile Decisivi per le prestazioni degli ibridi di grafene sono da un lato un’ampia superficie specifica e dimensioni dei pori controllabili e dall’altro un’elevata conduttività elettrica. “Le capacità ad alte prestazioni del materiale si basano sulla combinazione dei MOF microporosi con l’acido grafene conduttivo”, spiega il primo autore Jayaramulu Kolleboyina, un ex scienziato ospite che lavorava con Roland Fischer. Una grande superficie è importante per buoni supercondensatori. Consente la raccolta di un numero rispettivamente elevato di portatori di carica all’interno del materiale: questo è il principio di base per l’accumulo di energia elettrica. Attraverso un’abile progettazione dei materiali, i ricercatori hanno ottenuto l’impresa di collegare l’acido grafene con i MOF. I MOF ibridi risultanti hanno una superficie interna molto ampia fino a 900 metri quadrati per grammo e sono altamente performanti come elettrodi positivi in ​​un supercondensatore. Lunga stabilità Tuttavia, questo non è l’unico vantaggio del nuovo materiale. Per ottenere un ibrido chimicamente stabile, sono necessari forti legami chimici tra i componenti. I legami sono apparentemente gli stessi di quelli tra gli amminoacidi nelle proteine, secondo Fischer: “In effetti, abbiamo collegato l’acido grafene con un amminoacido MOF, che crea una sorta di legame peptidico”. La connessione stabile tra i componenti nanostrutturati ha enormi vantaggi in termini di stabilità a lungo termine: più stabili sono i legami, più cicli di carica e scarica sono possibili senza un significativo deterioramento delle prestazioni. Per confronto: un classico accumulatore al litio ha una vita utile di circa 5.000 cicli. La nuova cella sviluppata dai ricercatori TUM mantiene una capacità vicina al 90% anche dopo 10.000 cicli. Rete internazionale di esperti Fischer sottolinea quanto sia stata importante la libera cooperazione internazionale che i ricercatori stessi controllavano quando si trattava di sviluppare il nuovo supercondensatore. Di conseguenza, Jayaramulu Kolleboyina ha costruito la squadra. Era uno scienziato ospite dall’India invitato dalla Fondazione Alexander von Humboldt e che ora è a capo del dipartimento di chimica presso l’Indian Institute of Technology di Jammu di recente costituzione.
“Il nostro team ha anche collaborato con esperti di elettrochimica e ricerca sulle batterie a Barcellona, nonché esperti di derivati del grafene della Repubblica Ceca”, riferisce Fischer. “Inoltre, abbiamo partner integrati dagli Stati Uniti e dall’Australia. Questa meravigliosa cooperazione internazionale promette molto per il futuro”.