Un chip di silicio che incrementa la carica delle batterie
Il bisogno di una prolungata carica delle batterie è compreso bene da chi utilizza i telefoni cellulari ed è anche fondamentale per altre applicazioni mobili come ad esempio i veicoli autonomi. Le batterie sono ingombranti, ma dei dispositivi elettrochimici di accumulo ad alte prestazioni possono fornire un incremento energetico per completare le batterie e prolungare la loro carica. Il progetto IONACES, finanziato dall’UE, ha studiato in che modo i supercondensatori ‒ condensatori elettrochimici a doppio strato o EDLC ‒ funzionano e ha ideato un processo per integrarli su dei chip al silicio come microsupercondensatori da utilizzare in molteplici applicazioni. “La batteria di un’automobile elettrica è autonoma fintanto che essa è in grado di andare avanti. Ma se, per esempio, essa deve accelerare, ha bisogno di un incremento di potenza per alcuni secondi e questo è quello che un supercondensatore può fare,” spiega Patrice Simon, coordinatore del progetto IONACES e professore di scienza dei materiali all’Università Paul Sabatier a Tolosa in Francia. Mentre una batteria al litio standard impiega 2–3 ore per ricaricarsi, un supercap ‒ come sono anche noti i supercondensatori ‒ può fornire tutta la sua energia nel giro di 10 secondi e si può ricaricare del tutto entro pochi secondi o entro al massimo entro un minuto. “Questo è un notevole incremento di energia,” afferma il prof. Simon. Incrementare la comprensione di base Il team ha scoperto che le eccellenti prestazioni, fino ad ora non correttamente comprese, sono dovute all’assorbimento reversibile di ioni in minuscoli pori, di dimensioni inferiori a un nanometro, negli elettrodi porosi di carbonio. I supercondensatori immagazzinano la carica accumulando ioni positivi e negativi nelle polveri porose di carbonio positive e negative che agiscono da elettrodi. “Si attaccano degli ioni sulla superficie di carbonio e si rimuovono ioni dalla superficie di carbonio per caricare e scaricare,” spiega il prof. Simon. Questi buchi accrescono l’area superficiale fino a includere la superficie della parete del buco ‒ essi possono essere 1 000 volte più grandi rispetto a una superficie di carbonio liscia, incrementando marcatamente la quantità di carica accumulata. Dimensioni del poro nel carbonio Anche le dimensioni del poro sono importanti. “Potremmo ridurre il tempo necessario per scaricare e caricare i supercap soltanto giocando con le dimensioni dei pori,” afferma il prof. Simon. “Riducendo le dimensioni del poro al di sotto di un nanometro si incrementa moltissimo il numero di ioni che possono essere assorbiti.” In passato, i ricercatori erano in grado di ridurre le dimensioni dei pori a meno di due nanometri ma non erano in grado di progettare materiali in carbonio con dimensioni specifiche dei pori. Il team di IONACES ha raggiunto questo obiettivo utilizzando un metodo differente per preparare il carbonio ‒ usando grani di carburo di titanio o micropolveri con diametri di 10 micron in un’atmosfera di cloro. Essi hanno rimosso il titanio che lasciava il carbonio poroso. Con questo processo, “se si controlla la temperatura di clorurazione, poi si possono controllare le dimensioni del poro del carbonio con molta precisione,” fa notare il prof. Simon. Microsupercondensatori La progettazione di microsupercondensatori adatti per stare su un chip al silicio ha richiesto quattro anni di lavoro al team. “Noi abbiamo depositato uno strato di carburo di titanio sul chip usando tecniche di spruzzatura e poi abbiamo effettuato la clorurazione,” spiega il prof. Simon. “Il trucco è stato quello di mantenere l’integrità meccanica del film di carbonio sul chip dopo la clorurazione. Questo è stato alla fine ottenuto usando una clorurazione parziale che non incrementa lo spessore dello strato sul chip.” Un risultato supplementare di questa ricerca è che il processo può essere adattato per rimuovere sodio e cloro dall’acqua di mare per renderla potabile. Questo è stato brevettato dal team del progetto per l’utilizzo negli impianti di dissalazione.
Parole chiave
IONACES, materiali, energia, nanotecnologia, durata batteria, dissalazione
