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Energia: nanomateriali da scarti del riso per batterie e supercondensatori
Batterie e supercondensatori[1] realizzati con materiali ottenuti da un sottoprodotto del riso, la lolla[2], sono al centro delle attività di ricerca[3] condotte da ENEA, Sapienza Università di Roma e Politecnico di Torino. I primi risultati, pubblicati sulle riviste internazionali Molecules e Journal of Energy Storage, dimostrano come i futuri dispositivi di accumulo elettrochimico di energia potranno contare su due innovativi materiali nanostrutturati, gli aerogel di carbonio e i quantum dots di grafene, ottenuti partendo dalla cellulosa contenuta in biomasse comuni e largamente disponibili.
“Gli aerogel di carbonio hanno mostrato un’elevata stabilità elettrochimica consentendo la realizzazione di dispositivi efficienti e di lunga durata. I quantum dots di grafene, invece, si sono rivelati capaci sia di accumulare cariche superficiali sia di ospitare (intercalare) al loro interno gli ioni di litio, dimostrando così il loro potenziale come materiale per l’anodo funzionale allo sviluppo di sistemi avanzati di accumulo energetico”, spiega la coautrice dello studio Annalisa Aurora, ricercatrice del Laboratorio ENEA Tecnologie e dispositivi per l’accumulo elettrochimico (Dipartimento Tecnologie energetiche e fonti rinnovabili)
L’aerogel di carbonio è un materiale innovativo, altamente poroso ed è spesso definito come una ‘spugna solida’ perché, pur avendo una struttura tridimensionale compatta, è formato per oltre il 90% da aria: questa caratteristica lo rende estremamente leggero e allo stesso tempo resistente e stabile dal punto di vista elettrochimico. È composto esclusivamente da carbonio che è un elemento ampiamente utilizzato nei dispositivi elettrochimici nella forma di grafite o di hard carbon; nelle sue altre forme nanostrutturate (grafene, ossido di grafene, nanotubi e quantum dots) il carbonio può migliorare ulteriormente le sue proprietà conduttive e, soprattutto, è molto abbondante negli scarti di origine vegetale.
Per questo studio l’aerogel di carbonio è stato ricavato dalla cellulosa contenuta nella lolla di riso (38% in peso) che ha subito un processo di gelificazione, essiccazione e successiva carbonizzazione. La struttura ottenuta conferisce proprietà uniche al materiale stesso, tra cui elevata conducibilità elettrica e leggerezza, rendendolo potenzialmente ideale per batterie e supercondensatori.
“I risultati della nostra ricerca indicano che le migliori prestazioni si ottengono dagli aerogel di carbonio derivati da gel di cellulosa con la massima concentrazione di cellulosa pura (7%). Pur mostrando valori di capacità di accumulo inferiori rispetto ad altri materiali, si sono distinti per l’elevata stabilità e durata elettrochimica anche dopo migliaia di cicli”, aggiunge Aurora.
A partire dall’idrogel di carbonio i ricercatori hanno poi ottenuto in modo veloce e sostenibile i cosiddetti quantum dots di grafene, minuscole particelle di grafene con uno spessore vicino al singolo atomo. “A una scala così piccola il materiale acquisisce proprietà speciali, come la capacità di immagazzinare energia elettrica sulla sua superficie e di favorire il passaggio degli ioni di litio. Per questo motivo sono considerati materiali zero-dimensionali molto promettenti, da esplorare soprattutto in combinazione con altri materiali più stabili e strutturati per lo sviluppo di nuove e più efficienti tecnologie di accumulo energetico”, conclude la ricercatrice ENEA.
Rappresentazione grafica del processo di riutilizzo della lolla di riso in materiali
innovativi per sistemi di accumulo di energia.
Note
[1] I supercondensatori sono dispositivi che immagazzinano energia elettrica come le batterie, ma si caricano e scaricano molto più velocemente, durando più a lungo. Si usano in auto elettriche, mezzi pubblici, dispositivi elettronici e sistemi energetici per fornire energia rapida o recuperare quella in eccesso.
[2] La produzione mondiale di riso è stimata in oltre 500 milioni di tonnellate e la lolla costituisce un sottoprodotto della sua lavorazione, rappresentando dal 20% al 33% in peso del riso integrale essiccato. Inoltre, il 30/50% della sua composizione è costituito da carbonio organico. La lolla di riso ha suscitato un crescente interesse sia in ambito accademico che industriale, grazie alla sua ampia disponibilità, al basso costo e all’elevato potenziale di conversione in grafene di alta qualità per applicazioni tecnologiche come batterie e supercondensatori. Dal 2020, gli studi dedicati al tema sono aumentati in modo significativo e continuano a crescere per le promettenti prospettive nel campo della transizione energetica.
[3] Le attività di ricerca sono sostenute in parte dalla Ricerca di Sistema Elettrico 2022–2024 e portate avanti attraverso un’infrastruttura dedicata allo sviluppo di tecnologie innovative per la transizione energetica e l’economia circolare, denominata iENTRANCE@ENL finanziata nell’ambito del PNRR.