Si tratta comunque di una sperimentazione tecnologica piuttosto primordiale, soprattutto dal punto di vista applicativo. Tuttavia, capire come sia possibile trasformare un qualcosa nato per una funzione totalmente diversa in un produttore d’energia è molto interessante. L’ambiti energetico per comprendere questa dualità è sia quello di accumulo energetico, che quello dei condensatori strutturali. Vediamo il tutto nel dettaglio.
La struttura comune di una batteria
Nel settore dei trasporti, in particolare in quello delle automotive, la necessità di
estendere l’autonomia dei veicoli si traduce spesso nel bisogno di avere delle batterie sempre più grandi e “capienti”. Siccome le batterie hanno una densità energetica massiva non particolarmente elevata, cioè che possono contenere un tot di energia in base al loro peso, per contenere produrre energia devono trasformarsi in contenitori più grandi.
Nei veicoli elettrici, ad esempio, le batterie possono arrivare a costituire fino al 26% del peso dell’intera vettura. Oggi la ricerca, per quanto riguarda la composizione chimica delle batterie, è in continua evoluzione. Tuttavia, un miglioramento relativo al rapporto energia-peso deve ancora essere “trovato”.
Questo è anche il motivo principale per il quale il settore aereo deve ancora evolversi: i motori termici sono molto difficili da sostituire e le alternative elettriche esistenti non sono sufficienti.
Gli scienziati credono che la soluzione possa, forse, essere data dai super condensatori strutturali, in grado di unire le prestazioni meccaniche dei materiali compositi con la loro
possibilità di accumulare energia.
Cosa sono i supercondensatori
I condensatori, in parole povere, sono dei dispositivi capaci di accumulare una quantità di
carica commisurata alla tensione attuata ai capi del dispositivo. L’energia possono accumulare, invece, va con il quadrato della tensione applicata. Nel caso di supercondensatori, la carica non è più accumulata su due piastre metalliche, separate da un materiale isolante. Essa è raccolta sull’interfaccia formata tra i due elettrodi e lo strato interposto tra di essi, che prende il nome di elettrolita.
Come per qualsiasi batteria, questi due elettroliti sono spesso composti da un
materiale carbonioso di vario tipo, che permette di avere una superficie molto grande. Il vantaggio, quindi, dei supercondensatori è che sono in grado di accumulare una quantità di carica e anche di energia molto più elevata.
Ricoprire le fibre di carbonio
L’idea è quella di utilizzare delle fibre dal materiale carbonioso, tipico dei comuni elettrodi. Le fibre di carbonio vengono attivate sottoponendole prima ad una reazione chimica con una soluzione basica che ne ossida parzialmente la superficie, permettendo di creare una forte rugosità e aumentando così l’area superficiale fondamentale per la capacità. Aumentano le capacità di carica a discapito delle caratteristiche meccaniche.
Altra possibilità è quella di ricoprire le fibre di carbonio con nano particelle di carbonio, nanotubi o fogli di grafite. Questi materiali sono dotati di una grande conducibilità termica. Ciò permette di diminuire la resistenza elettrica del dispositivo, aumentano l’area superficiale rispetto alla massa, senza modificare le fibre. Così facendo le proprietà meccaniche di quest’ultime restano invariate. Con questo processo si riesce ad avere una capacità totale del dispositivo di circa 600 volte superiore a quando si utilizzano le sole fibre.
Nel caso dei normali materiali compositi in fibra, queste sono immerse in una
matrice di resina un polimero termoindurente che una volta reticolato, ovvero dopo essere stato prodotto si indurisce in modo permanente, dotando il componente di elevatissime proprietà meccaniche. In questo caso, la matrice nella quale le fibre sono immerse dovrebbe essere in grado di fornire elevate caratteristiche meccaniche. Al contempo deve anche permettere lo scambio di cariche elettriche sotto forma di ioni. In pratica, deve fungere anche da elettrolita.
Allo stato attuale dello sviluppo di un supercondensatore come sostituto di una batteria non è ancora avvenuto, ma di certo in futuro si prenderanno in considerazioni i materiali sopracitati per aumentare la porosità o l’area superficiale a seconda del progetto. In entrambi i casi l’obiettivo resta sempre lo stesso: creare il giusto equilibrio tra peso ed energia.