Quali sarebbero meglio se esistessero, le batterie allo stato solido o i supercondensatori al grafene?

Grazie per A2A.

Questa stessa domanda mi è passata per la mente negli ultimi giorni, quindi è altamente fortuito che tu me l'abbia chiesto. Vi prego di scusare la grafica di bassa qualità inserita.

Un tipico supercapitore in grafene può contenere una densità di energia incredibile, ma è valutato solo a circa 2V di "carica" massima. Sotto carico costante, il ciclo di scarica assomiglia a questo:

Per la maggior parte delle celle ricaricabili secondarie, la stessa curva di scarica costante assomiglia a questo:

Senza un software grafico migliore a portata di mano, sono pienamente consapevole che l'area sotto il grafico per la stessa densità di energia non è rappresentata correttamente.

Per amor di discussione, baserò la mia risposta su una tensione nominale di 2V e una capacità potenziale di 1Ah, poiché 2V è la tensione nominale della cella al piombo (anche se gli Ah sono solitamente molto più alti).

In entrambi i casi, vogliamo far funzionare un dispositivo a 1V. Affinché il condensatore agisca come fonte primaria di energia, la prima parte del suo ciclo può essere regolata molto attentamente con la Pule Width Modulation - gli impulsi diventano più lunghi man mano che la scarica continua. Una volta che la tensione è scesa sotto 1V, l'unico modo per ottenere un ulteriore utilizzo del condensatore è che il regolatore passi a un inverter.

Nel caso della cella chimica, il metodo PWM di regolazione della tensione si applicherà per quasi tutto il ciclo di scarica, e la maggior parte dei dispositivi rileverà il leggero calo di tensione prima che precipiti completamente a zero, spegnendosi quando c'è ancora abbastanza energia per chiudere tutto correttamente.

Ora la maggior parte dei telefoni funziona con 3.6V da una singola cella, quindi perché non collegare due condensatori in serie per creare 4V? A differenza delle celle chimiche, i condensatori aumentano solo la tensione quando sono collegati in serie, ma la densità di energia complessiva a cui si può accedere è dimezzata. Due condensatori da 1F collegati in serie vi daranno solo 0,5F. Questo è fondamentale per come i condensatori immagazzinano energia ed è improbabile che venga superato senza convertirlo in un condensatore ibrido/cella chimica. Anche se è stato fatto sperimentalmente, non vedrete condensatori di grafene collegati in serie per dare 12V per l'avviamento del motore di un'auto, perché ogni "cella" di grafene può contenere solo 1/6 della sua capacità nominale - se l'auto non partirà entro una o due manovre, non partirà affatto.

Hai certamente ragione a suggerire che il grafene contiene una potenziale risposta. Le attuali celle a base di litio usano elettrodi di grafite che cominciano a creparsi e a decadere fin dalla data di assemblaggio. Si sta lavorando per introdurre un elettrodo di grafene che promette inizialmente di dare 10 volte la capacità e 10 volte la durata del ciclo, senza bisogno di litio extra.

Può non essere "allo stato solido", ma il litio-grafene sarà probabilmente il prossimo passo nelle celle ricaricabili di consumo, fino a quando non arriverà una chimica migliore (e più sicura).