Supercondensatori
Un condensatore è simile a una batteria, nel senso che è un componente composto da due terminali in cui immagazzina energia, ma la differenza è che il condensatore può caricarsi e scaricarsi molto velocemente. I condensatori sono solitamente usati per scaricare velocemente l'elettricità, come nei flash xenon delle macchine fotografiche. Il processo chimico di una batteria Li-po non permette uno scaricamento così veloce. Inoltre funzionano su principi completamente differenti, le batterie si ricaricano sfruttando l'energia creata da un sistema chimico, i condensatori invece sono composti da superfici metalliche opposte caricate diversamente, con una sostanza isolante all'interno. Potete costruire un condensatore con un pezzo di carta posto tra due fogli di carta alluminio, ma non aspettatevi di riuscire a raggiungere un livello di energia sufficiente per qualsiasi cosa.
Quando si ricarica un condensatore, la corrente provoca uno spostamento degli elettroni sulla superficie negativa, respingendo gli elettroni dalla superficie positiva, finché la differenza di potenziale è la stessa della tensione d'ingresso (la capacità di un condensatore è anche chiamata capacitanza). Lo scaricamento di un condensatore può essere estremamente veloce.
Un supercondensatore potrebbe essere in grado di caricare il vostro smartphone in pochi secondi.
Per fare un'analogia con la natura, citiamo i fulmini, dove c'è una carica tra la parte bassa delle nuvole e la Terra (come le due superfici metalliche) e in mezzo c'è l'aria, un cattivo conduttore. Le nuvole hanno una capacitanza notevole e l'energia potenziale che immagazzinano è di milioni di volt, fino al punto in cui l'aria non è più un isolante sufficiente e conduce energia dalle nuvole al suolo (il fulmine).
Il problema con i condensatori è che generalmente non possono immagazzinare la stessa energia di una batteria al litio a parità di spazio, ma l'idea di poter caricare un telefono in pochi secondi, anziché ore, è la motivazione che spinge i ricercatori. I supercondensatori (chiamati anche utlracondensatori) sono differenti dai condensatori normali, hanno una capacitanza molto superiore perché usano sistemi chimici come isolanti, anziché materiali convenzionali.
Molti ricercatori stanno integrando grafene e nanotubi di carbonio (grafene arrotolato in un tubo) nei componenti. L'Università Tsinghua ha sperimentato i nanotubi di carbonio per migliorare la conduttività dei nanofluidi usati come elettroliti nei supercondensatori. L'Università del Texas sta lavorando sui processi produttivi per rendere il grafene utilizzabile dai supercondensatori. L'Università Nazionale di Singapore sta cercando di creare elettrodi in grafene per i supercondensatori. I nanotubi in carbonio hanno una proprietà particolare: l'orientamento della struttura atomica può definire se un nanotubo è un conduttore, semiconduttore o isolante. Per l'uso in laboratorio, i nanotubi in grafene e carbonio sono tremendamente costosi, ben 218$ per un foglio da 1 centimetro quadrato di grafene e oltre 934$ per un grammo di nanotubi in carbonio. Produrli è molto difficile, per questo i costi sono elevati.
I supercondensatori sono lontani dall'applicazione commerciale. È già stato dimostrato l'uso in smartphone, ma in prototipi grossi e ingombranti. La tecnologia deve essere ridotta in termini di dimensioni ma deve diventare anche economica prima di trasformarsi in prodotti reali. A parte questo, l'alta densità energetica di un supercondesatore carico ha la potenzialità di una scarica rapida, che comporta seri rischi d'incendio quando usata in un dispositivo.