Ricercatori della Colorado University di Boulder hanno pubblicato uno studio che modifica la legge che regola il movimento degli ioni nei supercondensatori. L’uso dei supercondensatori per accumulare e rilasciare energia in molti più ambiti commerciali e consumer potrebbe portare a cariche rapidissime. Un laptop potrebbe essere, ipoteticamente, caricato al 100% in pochi minuti.
Batterie, condensatori, supercondensatori e il loro rapporto con gli ioni
Prima di capire su cosa si basa la ricerca, conviene fare un riepilogo dei principali accumulatori di energia, quindi batterie, condensatori e supercondensatori.
Le batterie, per esempio quelle agli ioni di litio, sono dispositivi elettrochimici che immagazzinano energia chimica e la convertono in energia elettrica attraverso una reazione di ossidoriduzione. Sono composte da un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita. Durante la scarica, gli elettroni fluiscono dall'anodo al catodo attraverso un circuito esterno, generando una corrente elettrica.
Nelle batterie, il flusso di elettroni è strettamente legato al movimento di ioni all'interno dell'elettrolita. Durante la scarica, gli ioni positivi migrano verso il catodo (elettrodo positivo) e gli ioni negativi verso l'anodo (elettrodo negativo). Questo movimento di ioni permette il flusso di elettroni nel circuito esterno, generando corrente elettrica. Il processo è reversibile durante la ricarica.
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I condensatori sono dispositivi che immagazzinano energia elettrica sotto forma di campo elettrico. Sono composti da due piastre conduttrici separate da un materiale isolante (dielettrico). Quando viene applicata una differenza di potenziale, si accumulano cariche opposte sulle piastre, creando un campo elettrico nel dielettrico che immagazzina l'energia.
Nei condensatori tradizionali non ci sono ioni coinvolti direttamente. L'energia è immagazzinata nel campo elettrico creato dall'accumulazione di cariche elettriche opposte sulle piastre conduttrici. Gli elettroni si spostano dalle piastre durante la scarica, ma non c'è un movimento diretto di ioni.
I supercondensatori sono un ibrido tra batterie e condensatori. Hanno una struttura simile ai condensatori, ma utilizzano materiali speciali (per esempio, carbonio attivato) ad alta area superficiale come elettrodi immersi in un liquido. La porosità di questi materiali aumenta significativamente l'area superficiale disponibile per l'accumulo di carica, permettendo ai supercondensatori di immagazzinare molta più energia dei condensatori normali, e di rilasciarla e ricaricarsi molto più rapidamente delle batterie.
Nei supercondensatori, il meccanismo di immagazzinamento dell'energia coinvolge sia gli elettroni che gli ioni. Quando viene applicata una differenza di potenziale, gli ioni nell'elettrolita si ridistribuiscono, formando strati di cariche opposte sulle superfici porose degli elettrodi. Questo fenomeno crea un doppio strato elettrico: uno strato di ioni nell'elettrolita e uno strato di elettroni negli elettrodi. Questo doppio strato immagazzina energia elettrostatica. Durante la scarica, gli ioni e gli elettroni si muovono in direzioni opposte, permettendo il flusso di corrente elettrica attraverso il circuito esterno. Ai fini della comprensione della ricerca della Colorado Univeristy è importante ricordare l’elemento di porosità dei supercondensatori.
Vantaggi e svantaggi di batterie, condensatori e supercondensatori
Le batterie, lo sappiamo, rilasciano energia in modo relativamente lento ma costante nel tempo e hanno il vantaggio di avere un’alta densità di energia e una lunga durata di scarica. Hanno un numero limitato di cicli di ricarica, una potenza di scarica limitata e presentano una degradazione degli elettrodi e il rischio di fuoriuscite e quindi di incendi.
I condensatori, di contro, rilasciano energia molto rapidamente in brevi impulsi, hanno tempi di carica/scarica molto rapidi, ma hanno una bassa densità di energia, si scaricano velocemente, e hanno una potenza di scarica massima limitata. Vengono usati come filtri, circuiti di temporizzazione, o, più nel concreto, nei flash delle fotocamere, per esempio.
I supercondensatori rilasciano energia molto rapidamente con alte potenze di picco, hanno un'elevatissima potenza specifica, una carica/scarica rapida, e resistono per milioni di cicli. Purtroppo hanno una densità energetica molto più bassa rispetto alle batterie, soffrono di correnti di dispersione e hanno costi elevati. Sono comunque già impiegati nell’industria elettronica: li si può trovare nell’avviamento dei veicoli, oppure impiegati per recuperare l’energia dalla frenata dei mezzi, o ancora come sistema di accumulo tampone che interviene immediatamente nei laptop quando c’è un‘interruzione di corrente e prima che il PC abbia il tempo di passare all’energia immagazzinata nella batteria agli ioni di litio.
Capire meglio come si muovono gli ioni nei "pori" dei supercondensatori
Tornando ai materiai porosi dei supercondensatori, la ricerca della Colorado Univeristy introduce una modifica alla legge di Kirchhoff, un principio fondamentale nell'elettricità che descrive il flusso di corrente. La legge originale non teneva conto del movimento degli ioni in reti porose complesse.
E proprio la legge di Kirchoff, che è stata accettata dalla scienza per quasi due secoli, ha rappresentato l'ostacolo principale, anche perché la legge assume spesso componenti ideali (resistenze, capacitanze, ecc.). Tuttavia, in strutture porose complesse, le proprietà dei materiali possono variare a livello microscopico. Queste situazioni possono richiedere modelli più sofisticati che tengano conto delle variazioni locali di resistività, capacità e altre proprietà elettrochimiche.
Infatti, studiando la sua applicazione nell'immagazzinamento di energia, i ricercatori americani hanno visto che sembrava applicarsi solo al movimento degli ioni in pochi pori, mentre nei supercondensatori gli ioni si accumulano in una vasta rete di migliaia di pori interconnessi.
Gli studiosi hanno applicato tecniche di ingegneria chimica utilizzate per studiare il flusso nei materiali porosi, come i serbatoi di petrolio e i sistemi di filtrazione dell'acqua, che hanno permesso lo sviluppo di un software di modellazione per caratterizzare meglio il movimento degli ioni in strutture simili. Il risultato è stato nuovo modo di prevedere il movimento degli ioni nei materiali porosi, che potrebbe aumentare l'efficienza energetica dei supercondensatori.
Evoluzioni di questa ricerca potrebbero portare ad avere supercondensatori al posto delle batterie anche in dispositivi elettronici comuni, permettono non solo il rilascio di grandi potenze ma anche di avere una densità energetica maggiore, e di ricaricare molto più velocemente automobili, computer portatili e telefoni.