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Sistemi di accumulo elettrochimico
Micro-supercapacitori
Responsabili: Alessandra Sanson, Nicola Sangiorgi
Personale coinvolto: Alex Sangiorgi
Attualmente, la grande quantità di energia prodotta da fonti rinnovabili richiede sistemi di accumulo altamente efficienti e stabili nel tempo per potere essere utilizzata nella maniera più efficiente possibile. Questa necessità e valida sia per applicazioni stazionarie che portatili. CNR-ISTEC svolge attività di ricerca focalizzata allo studio e produzione di micro-supercapacitori per applicazioni portatili con elettrolita gel realizzati su differenti tipologie di substrati (rigido o flessibile).
In particolare vengono utilizzati substrati trasparenti conduttivi basati rispettivamente su vetro, PET fogli di grafite o substrati metallici. I dispositivi preparati vengono impiegati per particolari applicazioni di elettronica portatile in cui la trasparenza, la flessibilità e l’assenza di elementi liquidi sono requisiti fondamentali. I materiali elettrodici sviluppati sono basati principalmente su ossidi metallici come TiO2, ZnO e NiO che mostrano elevate capacità pseudo-capacitive. Le proprietà ottiche, morfologiche ed elettrochimiche (accumulo cariche) vengono massimizzate attraverso l’ottimizzazione del processo di sintesi. Allo stesso tempo, vengono studiati come materiali elettrodici anche composti di natura organica quali grafene ossido e polimeri conduttivi (oppure ibridi con nanoparticelle metalliche). Infine, per specifiche applicazioni portatili e per avere una maggiore stabilità, i dispositivi vengono completati utilizzando elettroliti allo stato semi-solido (gel) gelificando il tradizionale elettrolita liquido con nanoparticelle ceramiche a base di nanoclay o silica oppure con materiali polimerici.
I singoli materiali sviluppati così come i supercapacitori vengono poi testati sia dal punto di vista ottico, morfologico, microstrutturale ed elettrochimico (calcolo della capacità specifica) allo scopo di determinarne le rispettive proprietà. Sui dispositivi vengono anche eseguiti delle prove di stabilità nel tempo. Infine attraverso la Spettroscopia ad Impedenza Elettrochimica (EIS) vengono valutate anche le proprietà elettroniche sulle interfacce solido-liquido oppure solido-solido che si creano all’interno dei dispositivi.
Strumenti e Processi
Per la produzione degli elettrodi a base di ZnO, grafene ossido e polimeri conduttori vengono ottimizzati ed applicati processi a bassa temperatura basati su metodi di deposizione elettrochimica. Questi processi risultano particolarmente utili nel caso in cui vengano utilizzati substrati a base polimerica (PET) in quanto ne limitano la degradazione termica. Elettrodi a base di TiO2 vengono invece prodotti tramite deposizione serigrafica e successivo trattamento termico di consolidamento. Vengono inoltre sviluppate tecniche innovative di manifattura additiva (in particolare inkjet) per la realizzazione di pattern complessi con processi flessibili e facilmente modificabili.
Per la caratterizzazione elettrochimica dei singoli elettrodi oppure dei supercapacitori completi (calcolo della capacità specifica, proprietà elettroniche delle interfacce, valutazione della stabilità) viene utilizzata la stazione elettrochimica Autolab PGSTAT302N+FRA32M. Particolare attenzione viene rivolta alla caratterizzazione dei sistemi tramite Spettroscopia ad Impedenza Elettrochimica (EIS) ed alla relativa elaborazione dei risultati ottenuti. Le proprietà ottiche dei film realizzati vengono invece determinate tramite la sfera integratrice del sistema PVE300 (sia in modalità trasmittanza che in riflettanza).
Principali collaborazioni
Pubblicazioni
- B. Ballarin, E. Boanini, L. Montalto, P. Mengucci, D. Nanni, C. Parise, I. Ragazzini, D. Rinaldi, N. Sangiorgi, A. Sanson, M.C. Cassani, “PANI/Au/Fe3O4 nanocomposite materials for high performance energy storage”, Electrochimica Acta 2019, 322, 134707-134715.
- J. Yus, Z. Gonzalez, A.J. Sanchez-Herencia, A. Sangiorgi, N. Sangiorgi, D. Gardini, A. Sanson, C. Galassi, A. Caballero, J. Morales, B. Ferrari, “Semiconductor water-based inks: miniaturized NiO pseudocapacitor electrodes by inkjet printing”, Journal of the European Ceramic Society 2019, 39, 2908-2914.
- Y. Vlamidis, E. Scavetta, M. Giorgetti, N. Sangiorgi, D. Tonelli, “Electrochemically synthesized cobalt redox active layered double hydroxides for supercapacitors development”, Applied Clay Science, 2017, 143, 151-158.