High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode

Nel mondo moderno, la domanda di energia pulita e portatile cresce più velocemente che mai. Facciamo affidamento sulle batterie per alimentare tutto, dagli smartphone alle auto elettriche, ma le batterie tradizionali hanno un limite: impiegano molto tempo per caricarsi e spesso non riescono a rilasciare la loro energia abbastanza rapidamente per compiti ad alta potenza. È qui che entrano in gioco i supercondensatori. Pensateli come ai velocisti del mondo dell'energia. A differenza delle batterie, che immagazzinano energia attraverso lenti cambiamenti chimici nel profondo della loro struttura, i supercondensatori immagazzinano l'energia sulla superficie dei loro materiali, permettendo loro di caricarsi e scaricarsi in pochi secondi. Tuttavia, storicamente, hanno faticato a contenere tanta energia totale quanto le batterie. La sfida per gli scienziati è costruire un supercondensatore che sia allo stesso tempo veloce e potente, capace di immagazzinare una grande quantità di energia senza sacrificare la sua velocità. Per farlo, i ricercatori devono progettare i minuscoli materiali all'interno del dispositivo affinché abbiano una maggiore superficie e migliori percorsi per il flusso di elettricità.

Un team di ricercatori dell'Università di Commercio di Harbin ha compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema, creando un nuovo tipo di supercondensatore che combina due materiali distinti per massimizzare le prestazioni. Si sono concentrati su un elettrodo positivo realizzato con un composto chiamato ferrite di zinco, noto per la sua capacità di immagazzinare energia ma che spesso soffre di una scarsa conducibilità elettrica. Per risolvere questo problema, il team ha modificato il materiale aggiungendo una piccola quantità di un elemento delle terre rare chiamato lantanio. Questo processo, noto come drogaggio, non è stato fatto casualmente; i ricercatori hanno controllato attentamente il tempo e la quantità di lantanio aggiunta per trovare l'equilibrio perfetto. Hanno scoperto che il trattamento del materiale per dodici ore con un contenuto di lantanio dello 0,5% creava una struttura unica, a scaglie. Al microscopio, questo materiale appariva come una pila di fogli sottili e ruvidi piuttosto che come sfere lisce. Questa forma ruvida e stratificata è cruciale perché fornisce una vasta superficie per le reazioni chimiche, offrendo efficacemente al materiale più "posti auto" per la carica elettrica.

I ricercatori hanno inoltre progettato il lato negativo del dispositivo utilizzando nanotubi di carbonio, che sono tubi di carbonio incredibilmente sottili e cavi. Sebbene questi tubi siano naturalmente resistenti e conduttivi, il team li ha trattati per renderli idrofili, ovvero amanti dell'acqua. Aggiungendo gruppi chimici specifici alla superficie dei tubi, si sono assicurati che l'elettrolita liquido — la soluzione di acqua salata che trasporta gli ioni tra gli elettrodi — potesse bagnare perfettamente il materiale. Ciò riduce la resistenza e permette agli ioni di muoversi liberamente e rapidamente. Quando questi due materiali ottimizzati sono stati accoppiati in un supercondensatore asimmetrico, i risultati sono stati impressionanti. Il dispositivo ha dimostrato un'alta capacità di immagazzinare energia, con il solo elettrodo positivo che tratteneva 426 unità di capacità per grammo. Ancora più importante, il meccanismo di immagazzinamento dell'energia era dominato da reazioni superficiali piuttosto che da una lenta diffusione, il che significa che il dispositivo poteva caricarsi e scaricarsi rapidamente senza perdere molta efficienza.

Le prestazioni di questo nuovo dispositivo sono state testate in condizioni rigorose per vedere come si comportasse nel tempo e sotto stress. Quando il supercondensatore veniva caricato e scaricato ad alte velocità, manteneva una forte capacità di immagazzinare energia, dimostrando che il meccanismo controllato dalla superficie stava funzionando come previsto. Anche dopo essere stato ciclicamente utilizzato diecimila volte ad un'alta corrente, il dispositivo ha mantenuto oltre l'83% della sua capacità originale, indicando che i materiali erano stabili e durevoli. Il dispositivo finale ha superato molti sistemi di immagazzinamento dell'energia simili in termini di densità di energia, ovvero quanta potenza può contenere, e densità di potenza, ovvero quanto velocemente può rilasciare tale potenza. Combinando con successo un elettrodo positivo di ferrite di zinco drogato con lantanio e nanotubi di carbonio idrofili, i ricercatori hanno creato un modello per una nuova generazione di supercondensatori che un giorno potrebbero alimentare veicoli elettrici ed elettronica portatile con maggiore velocità ed efficienza rispetto alle tecnologie attuali.