Generatori elettrici allo stato solido e batterie primarie
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Anni fa   2 generatori elettrici a stato solido avevano attirato la mia attenzione:
- la Si-graphite power cell di Quanta Magnetics
- la cella Franceschini  Giardina
La cella di quanta Magnetics sembra essere quella che fornisce una tensione in uscita più elevata 2- 2,1V a vuoto, mentre la cella Franceschini  Giardina  genera una tensione di 0,7V a vuoto e 0,5V sotto carico.
La cella Franceschini  presenta però  il vantaggio di usare materiali più facilmente reperibili e di costo  più basso.  Entrambe queste celle erogano correnti  molto deboli, dell’ordine di qualche µA /cm2.
Le  proprietà  interessanti  dichiarate dagli inventori a proposito delle loro celle è la loro lunghissima vita e la capacità di erogare energia elettrica 24 ore su 24 per periodi  molto lunghi, qualcuno ha paragonato  queste celle a stato solido alle celle solari fotovoltaiche.

Avevo tentato la replicazione della cella Franceschini  basandomi sul suo brevetto e su quanto successivamente qui riportato :”Come realizzare una batteria ricaricabile”
ma i risultati erano stati piuttosto deludenti  da 80 a 100mV a vuoto e con vita attiva della cella limitata a 3 - 4 giorni e quindi avevo abbandonato ogni tipo di lavoro su queste celle.
A metà 2019 avevo ripensato a questa cella, mi sembrava strano che il suo inventore avesse speso soldi  per ben 2 brevetti di cui uno internazionale (2019) e tempo per una cosa che non funzionava,  la cella doveva funzionare semplicemente ero io che non avevo capito bene cosa dovevo fare.

Ora vorrei aprire una parentesi su come un'applicazione, un'invenzione viene presentata all'ufficio brevetti.  E' interesse dell’inventore presentare il suo prodotto magnificandone il più possibile proprietà e caratteristiche, d'altra parte non gli conviene dare troppe informazioni sulla realizzazione perchè questo nuocerebbe ai suoi interessi; d'altronde l' ufficio brevetti non brevetterà mai un procedimento, un prodotto, che non contenga sufficienti particolari atti ad evidenziarne gli aspetti innovativi   rispetto ad analoghi già esistenti sul mercato. ll risultato della contrapposizione di questi interessi  porta all'uso del linguaggio brevettuale spesso alquanto ostico da capire pienamente.
A questo proposito potete confrontare sempre parlando della cella Franceschini  Gardina le differenze fra il primo brevetto del 2015: e il secondo brevetto Internazionale del 2019. In quest’ultimo l’inventore  ha introdotto  altri particolari sulla cella, ma posso assicurare  che chi tenterà di replicare la cella basandosi  anche su questo  seconda brevetto  non otterrà  che miseri risultati.
La mia prima cella in questa seconda fase dei lavori sul generatore Franceschini  Giardina era una cella da 10X10cm costituita da un elettrodo in Al  ed uno in grafite con all’interno la classica miscela di polvere di grafite – quarzo,  questo il quarzo usato, miscelato con grafite in polvere da 60 – 30 µM

   

la cella  a secco non funzionava,  poca tensione e corrente quasi inesistente , umidificando con acqua distillata le cose cambiavano,  qualche centinaio di mV ma correnti di solo un decina di µA e questo su una superficie attiva di 100 cm2.
 Introducendo una soluzione salina le cose cambiarono di molto, la tensione erogata su una resistenza di carico era salita a 400mV con corrente di 100uA questo generatore ha funzionato per parecchi giorni in modo continuo poi dopo circa 100 ore di funzionamento la tensione in uscita è scesa a 50mV  questo lo stato dell’ elettrodo negativo  dopo 100 ore di funzionamento 

   

evidenti sulla lastrina di Al la corrosione, segno della presenza di reazioni redox.  La conclusione da trarre è che questa  è una batteria primaria.
Il prossimo passo nel mio lavoro era  stato di considerare  il generatore Franceschini  come una  batteria primaria dotata di elettrolita non acquoso o a stato solido e  dotata di particolari caratteristiche:  vita molto lunga con  auto scarica quasi inesistente.
A questo punto era evidente che per  avere dei risultati dovevo  testare una lunga serie di queste celle, con varie combinazione di:  quarzo, grafite, grafene ed elettroliti non acquosi preferibilmente del tipo DES (Deep eutectic solvent) gli elettrodi  di queste celle sono quasi sempre in Al – grafite e le celle andavano completamente sigillate dall’ambiente esterno per evitare influenze da parte dell’umidità dell’aria.
Per questioni di risparmio sui materiali usati ho optato per celle di dimensioni standard di 10 cm2, intesa come superficie in comune fra i due elettrodi  Al – grafite della cella, la corrente estratta da queste celle è sempre molto piccola, ma qui non interessa la quantità ma la qualità.
Interessa  capire qual’ è la combinazione che rende in uscita  su un carico costituito da una resistenza  le tensioni e correnti più elevate ,  soprattutto è  la durata che interessa,  questa pila affinchè sia interessante deve essere in grado di funzionare in modo continuo per più di 1000 ore. Sotto un tipico esempio di una di queste pile:  piatta e flessibile con superficie attiva fra i 2 elettrodi  di 10 cm2

   

 Ho portato avanti prove su una quarantina di queste celle con impasti costituti non solo da grafite, grafene e quarzo in varie proporzioni ma introducendo anche diversi altri composti. L’elevato numero di celle in contemporanea  ed i lunghissimi tempi di sperimentazione non mi hanno  permesso di usare un data logger  per la registrazione dei dati tensione e corrente, ho dovuto eseguire le misure manualmente, 1 misura circa ogni 24 ore su ogni cella. Ogni  cella è collegata ad una resistenza di carico di 47Kohm
Sotto  un grafico di tensione e corrente erogate dalla parte più significativa delle celle entro le prime 250 ore

   

Da notare la curva 8Pb relativa ad una cella con elettrodi  Al – PbO2 che rende più di 700mV con corrente di 15µA, sembrerebbe la cella più performante, però se osserviamo il successivo grafico che va 750 a 1000 ore  notiamo un suo crollo dopo le 750 ore, quindi questa cella non va bene, quella che invece  va molto bene è la cella 8

   

A questo riguardo  sotto i grafici semplificati delle celle più interessanti

   

La cella 5 contiene SiO2  con granulometria micrometrica, la cella 9 SiO2 nanometrica, la cella 8 invece, e questa è  stata una sorpresa  inaspettata , non contiene quarzo, solo grafite ed un altro composto di granulometria micrometrica  gli elettrodi sono al solito in Al – grafite; le celle che più si avvicinano alla cella Franceschini sono la 5 e la  9.
La cella 8 dopo 3000 ore di funzionamento ininterrotto  è l’unica che conserva  una stabile tensione sui 500mV in uscita ed eroga una corrente di 1µA/cm2; la cella 9 (SiO2 nanometrico ) ha in uscita una tensione di  soli 150 mV ; la cella 5 (SiO2 micrometrico)   è invece completamente fuori uso.  La corrente generata da questa cella è molto piccola e così com’ è non serve niente, però va considerato che dato il suo esiguo spessore può essere usata per costruire una batteria composta da più strati  e con gli adatti collegamenti serie parallelo.  si possono ottenere le tensioni e correnti desiderate.

Verso una nuova batteria primaria carbonio - alluminio

Quello che invece mi interessava conoscere della  cella 8 era invece il suo rendimento energetico al fine di poterla  confrontare con le altre batterie primarie e secondarie esistenti.
Questa  cella ha funzionato senza soste per 4000 ore  a 4000 ore la tensione in uscita è  scesa a 400mv che considero il limite di usabilità della cella, con i grafici tensione corrente della cella è semplice calcolarne l’energia fornita alla resistenza di carico E=V . I . t 
Sotto i grafici della tensione e dell’energia generata da questa cella

   

in questo caso in 4000 ore l’energia generata dalla cella è di 73,22 joule, energia piccola ma generata da un volume altrettanto piccolo 0,1 cm3 ossia 0,1ml se la rapportiamo al volume di 1L otteniamo 0,732Mj/L.
Qui sotto nella tabella la densità energetica delle batterie primarie e secondarie più diffuse (dati Wikipedia) e della cella 8

   

Questa cella al pari delle altre da me testate è influenzata solo lievemente da variazioni di temperature, è  resistente ai corto circuiti, cortocircuitando i 2 elettrodi, all’apertura del circuito la tensione ritorna rapidamente al valore originario.
E’ possibile il collegamento serie o parallelo fra più celle per ottenere tensioni o correnti più elevate.
Non è possibile usare direttamente una batteria costruita con queste celle per almentare apparecchiature: telefonini  tablet  PC .
Queste batterie per essere sfruttate al meglio devono lavorare accoppiate tramite apposito controller a batterie NiMH o al litio, le celle carbonio –Al  caricano lentamente le batterie convenzionali che quando sono cariche sono in grado di alimentare anche apparecchi che richiedono correnti robuste, una descrizione esemplificata  sull’ utilizzo di queste celle si trova qui: Come realizzare una batteria ricaricabile

Sotto una parte delle celle usate per i miei test

   

Il passo successivo del mio lavoro, quello attualmente in corso è di incrementare la corrente in uscita da questa cella e di prolungarne la vita .
Sotto misure di tensione e corrente su una cella da 10 cm2 derivata dalla cella 8 dopo 1000 ore di funzionamento, con resistenza di carico di 22 Kohm, dà  V =622mV,  I= 27,6 µA.

   

La tensione a vuoto di questa cella è di 655mV, la corrente di corto circuito è invece di  916µA

   

Bibliografia

- Silicon Crystal Graphite Battery

- Solid  State Energy

- modulo cella energetica

- Brevetto Franceschini Giardina (2015)

- International Publication Number WO2019138306A1 Franceschini (2019)

- Come realizzare una batteria auto-ricaricabile

- Generatori a stato solido? Meglio del fotovoltaico
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