Di Jeremy Cook
La transizione verso fonti di energia rinnovabili come quella solare ed eolica richiede nuovi metodi di accumulo di energia. Le nuvole possono oscurare il sole per giorni interi e di notte l'energia solare non è proprio disponibile; il vento può essere ancora più volubile. L'accumulo ci consente di superare inevitabili divari di produzione e di soddisfare picchi localizzati nel consumo di energia.
Oggi, le batterie agli ioni di litio sono dispositivi straordinari, ma possono caricarsi e scaricarsi solo ad una determinata velocità e hanno una durata limitata. Inoltre, l'estrazione del litio è complicata da un notevole impatto ambientale. Oggi gli Stati Uniti producono meno dell'1% del litio mondiale, il che rappresenta un potenziale collo di bottiglia per la produzione.
I supercondensatori, che sono in grado di caricarsi/scaricarsi a una velocità molto più elevata e con una frequenza maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio, vengono ora utilizzati per aumentare l'accumulo di corrente delle batterie per ingressi e uscite rapidi di energia. La tecnologia delle batterie al grafene, o dei supercondensatori al grafene, può rappresentare un'alternativa alle batterie al litio in alcune applicazioni.
Alimentazione istantanea e fornitura di corrente a lungo termine
Il grande vantaggio dei supercondensatori è la loro elevata capacità di potenza. Lo svantaggio è una bassa densità energetica totale. Queste proprietà possono sembrare in disaccordo, ma si consideri la definizione di entrambi i termini:
Potenza = lavoro/tempo, espressa in unità SI come joule/secondo
Densità energetica = energia immagazzinata/volume, espressa in unità SI come joule/m^3
Sebbene l'unità di misura al numeratore sia la stessa, si tratta di due misure ben distinte. La potenza è la capacità di rilasciare una quantità di energia in un periodo di tempo specifico, mentre la densità energetica è la capacità di immagazzinare una quantità specifica di energia, indipendentemente dal periodo di tempo.
Valori elevati per entrambe le caratteristiche sarebbero l'ideale, ma i supercondensatori in genere hanno una capacità di scarica a potenza elevata e una bassa densità energetica. Pertanto, mentre un supercondensatore può produrre una quantità notevole di energia per un istante, non è in grado di mantenere questa quantità di produzione di energia (o anche una quantità inferiore) per un tempo pari a quello di una batteria agli ioni di litio comparabile. Le applicazioni odierne utilizzano spesso un supercondensatore per bilanciare ingenti ingressi o uscite di energia (ad esempio, nel caso della frenata rigenerativa e di una rapida accelerazione), mentre il fabbisogno energetico a lungo termine è gestito dalle batterie.
La domanda è se sia possibile aumentare la densità energetica dei supercondensatori pur mantenendo un'eccellente capacità di potenza istantanea. La risposta la offre un materiale meraviglioso, il grafene.
Lo stoccaggio energetico del grafene rappresenta il futuro?
I supercondensatori utilizzano comunemente strati anodici e catodici costituiti da lamine metalliche rivestite con carbone attivo e separati da una membrana semipermeabile contenente una soluzione elettrolitica. Gli strati di questo "sandwich" formato da carbone e membrana vengono arrotolati o impilati nell'alloggiamento del condensatore, consentendo loro di immagazzinare cariche tramite il movimento degli ioni nell'elettrolita.
Attribuzione: autore Tosaka - Opera propria, CC BY 3.0 |Struttura schematica di un supercondensatore con elettrodi impilati 1. elettrodo positivo, 2. elettrodo negativo, 3. separatore
In questo ruolo, il carbone attivo può essere reso molto sottile, dell'ordine di 1/10 di mm di spessore, ma ha un'area superficiale molto estesa: diversi centimetri quadrati per ogni particella di 0,1 mm. Il grafene, tuttavia, si presenta in fogli di molecole 2D spesse 1 atomo, con un'area superficiale specifica simile a quella del carbone attivo. Può essere distribuito in uno strato estremamente sottile per offrire una struttura del conduttore ultra-densa. Il grafene è un eccellente conduttore e ciò implica una perdita di calore minima e un'ipotetica erogazione di corrente migliore rispetto anche ai supercondensatori a carbone attivo.
Il problema è produrre condensatori al grafene su larga scala. Tuttavia, date le potenzialità del grafene, i ricercatori stanno lavorando a questo tipo di implementazione a porte chiuse. Anche se il grafene potrebbe non eliminare completamente le batterie agli ioni di litio, i progressi dei supercondensatori che utilizzano il grafene potrebbero contribuire a migliorare questo dispositivo di accumulo di energia dal punto di vista dell'efficienza e della densità energetica.
Altre opzioni di stoccaggio avanzate... ancora carbonio?
Il grafene non è l'unica opzione di accumulo avanzata in fase di sviluppo. Per lo stoccaggio di energia, è stato proposto anche l'uso di nanotubi di carbonio, un'altra struttura del carbonio che si dispone in lunghe molecole tubolari, diverse dai sottili fogli di grafene. Le sfere di grafene e il grafene curvo/accartocciato sono altre possibilità basate sul carbonio per lo stoccaggio di energia.
Gestire la corrente
Anche se la capacità di fornire un'enorme quantità di corrente è qualcosa di positivo, tale capacità deve essere controllata per consentirne un utilizzo corretto. Per questo ruolo è possibile utilizzare i transistor SiC. Oltre a ciò, è necessario implementare delle tecnologie di misurazione della corrente per garantire una corretta applicazione di potenza ed energia.
È interessante notare che la produzione avanzata di carbonio nelle sue varie forme insieme al silicio (e la combinazione dei due) sembra rappresentare il futuro nella gestione dell'energia. La difficoltà oggi è scegliere idee che funzioneranno in teoria e/o su piccola scala e trasformarle in prodotti di uso quotidiano che migliorano la nostra vita. Una volta che queste tecniche saranno perfezionate e implementate, potremo prevedere un futuro più efficiente dal punto di vista energetico con dispositivi ancora più potenti.
Visualizza prodotti correlati
NEDL156M2.5V12.5X30F
NIC Components Doppio strato elettrico del condensatore - Supercondensatori VisualizzaVisualizza prodotti correlati
