N
egli ultimi anni il confine tra
batterie e supercondensatori
si è fatto sempre meno defini-
to, complici anche i laboratori
di ricerca intenti a inseguire
il Sacro Graal dell’elettronica
portatile: una batteria leggera,
capiente e in grado di soste-
nere decine di migliaia di cicli
di carica e scarica.
Tanto le batterie quanto i su-
percondensatori basano il pro-
prio funzionamento su proces-
si elettrochimici; i meccanismi
di separazione e trasporto del-
le cariche sono tuttavia così
diversi da portare a prestazio-
ni diametralmente opposte in
termini di densità di energia e
densità di potenza.
Le batterie si appoggiano a re-
azioni di ossidoriduzione che
interessano l’intero volume
degli elettrodi e richiedono il
trasporto di ioni in un mezzo
elettrolitico, fenomeno tipica-
mente diffusivo e lento. Ne
conseguono una densità di
energia elevata (per le batte-
rie a ioni di Litio varia tra 100
e 250 Wh/kg) e una ridotta
densità di potenza (con picchi
compresi tra 0,4 e 1,5 kW/kg).
I supercondensatori (o con-
densatori elettrochimici a
doppio strato, EDLC) im-
magazzinano le cariche per
adsorbimento degli ioni di
elettrolita sulla sola superficie
degli elettrodi. Questo si tra-
duce in densità di energia ben
inferiori a quel-
le delle batterie
(valori tipici per
gli EdlC com-
merciali varia-
no da 5 a 25
Wh/kg), com-
pensato da un
meccanismo di
carica e scarica
estremamente
veloce (le den-
sità di potenza
possono superare i 10 kW/kg).
Dai tentativi di miglioramen-
to dell’una o dell’altra tecno-
logia, nascono spesso degli
ibridi batteria-superconden-
satore. Ad esempio, un grup-
po di ricercatori della
sotto la guida del
chimico James Tour ha pro-
posto di modificare gli anodi
delle batterie a ioni di litio con
nanonastri in grafene (GNR)
e nanoparticelle di ossido di
stagno. I risultati di questa ri-
cerca sono stati pubblicati nel
luglio dello scorso anno su
e dimostrano che è
possibile incrementare la ca-
pacità delle batterie Li-Ion ov-
viando ai pro-
blemi di fragilità
degli anodi in
grafite.
Il gruppo di
Tour ha suc-
c e s s i vamen -
te focalizzato
i propri sforzi
sulla ricerca di
un nuovo mate-
riale che risul-
tasse flessibile
come il grafene e i polimeri
conduttivi ma al tempo stesso
avesse una capacità di imma-
gazzinamento dell’energia più
vicina a quella dei fragili ma-
teriali inorganici. Il risultato di
questa nuova ricerca, pubbli-
cata a fine aprile sul
è una pellicola spessa
solo un centesimo di pollice,
realizzabile con processi pro-
duttivi standard, che si presta
ad essere impilata a formare
condensatori
elettrochimici
con prestazioni comprese tra
quelle di una batteria al litio e
un supercondensatore ad alta
densità di potenza.
Il tutto si basa su una struttura
flessibile con elettrodi nano-
porosi in fluoruro di nichel che
racchiudono uno strato di elet-
trolita solido (idrossido di po-
tassio in alcool polivinilico). Gli
elettrodi vengono formati de-
positando il nickel su un sup-
porto temporaneo in materiale
plastico (PET) placcato d’oro e
utilizzando un processo di inci-
sione chimica per creare una
struttura in NiF
2
con nanopori
da 5n ad ampliarne l’area utile.
Due di questi elettrodi posso-
no essere deposti sui lati op-
posti dello strato di elettrolita
solido per formare un conden-
satore a film sottile con una
capacità specifica di 66 mF/
cm
2
, che in caso di impilamen-
to in una struttura 3D permette
di raggiungere 733 F/cm
3
(o
358 F/g).
Dispositivi di questo tipo sono
in grado di offrire una densità
di energia di 384 Wh/kg e una
densità di potenza di 112 kW/
kg, mentre i test di usura sul
prototipo hanno mostrato che
dopo 10 mila cicli di carica e
scarica e 1000 cicli di piega-
mento viene conservato il
76% della capacità originaria.
Il gruppo di ricerca della Rice
University sarebbe già stato
contattato da aziende interes-
sate alla commercializzazione
di questa tecnologia.
EON
ews
n.
575
-
maggio
2014
3
M
assimo
G
iussani
T
erza
P
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Un condensatore elettrochimico a film sottile
unisce in unico dispositivo flessibile i vantaggi
di batterie e supercondensatori
La terza via tra
batteria
e supercondensatore
Fonte Rice University
