Los científicos han dado un gran paso hacia la fabricación de un dispositivo de almacenamiento de energía similar a una fibra que se puede tejer en la ropa y en monitores médicos portátiles. equipos de comunicaciones u otros dispositivos electrónicos pequeños.

El dispositivo es un supercondensador, un primo de la batería. Éste contiene una red interconectada de grafeno y nanotubos de carbono con tanta fuerza que almacena energía comparable a la de algunas baterías de litio de película delgada, un área donde las baterías tradicionalmente han tenido una gran ventaja.

Los desarrolladores del producto, ingenieros y científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur, Universidad de Tsinghua en China, y la Universidad Case Western Reserve en los Estados Unidos, creen que la capacidad de almacenamiento por volumen (llamada densidad de energía volumétrica) es la más alta reportada para supercondensadores de microescala basados ​​en carbono hasta la fecha:6.3 microvatios hora por milímetro cúbico.

El dispositivo también mantiene la ventaja de cargar y liberar energía mucho más rápido que una batería. Los materiales híbridos con estructura de fibra ofrecen enormes superficies accesibles y son altamente conductores.

Los investigadores han desarrollado una forma de producir continuamente la fibra flexible, permitiéndoles aumentar la producción para una variedad de usos. Hasta la fecha, han hecho fibras de 50 metros de largo, y no ve límites en la longitud.

Ellos imaginan que el supercondensador de fibra podría tejerse en la ropa para alimentar dispositivos médicos para las personas en el hogar. o dispositivos de comunicación para soldados en el campo. O, ellos dicen, la fibra podría ser una fuente de energía que ahorra espacio y servir como "cables portadores de energía" en implantes médicos.

Yuan Chen, un profesor de ingeniería química en NTU dirigió el nuevo estudio, trabajando con Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei y Wenchao Jiang en NTU; Qiang Zhang en Tsinghua; y Liming Dai en Case Western Reserve. Los científicos informan de su investigación en Nanotecnología de la naturaleza .

Dai, profesor de ciencia e ingeniería macromolecular en Case Western Reserve y coautor del artículo, explicó que la mayoría de los supercondensadores tienen alta densidad de potencia pero baja densidad de energía, lo que significa que pueden cargarse rápidamente y dar un impulso de potencia, pero no dure mucho. En cambio, las baterías tienen alta densidad de energía y baja densidad de energía, lo que significa que pueden durar mucho tiempo, pero no entregue una gran cantidad de energía rápidamente.

La microelectrónica para vehículos eléctricos puede beneficiarse de los dispositivos de almacenamiento de energía que ofrecen alta potencia y alta densidad de energía. Es por eso que los investigadores están trabajando para desarrollar un dispositivo que ofrezca ambos.

Para seguir miniaturizando la electrónica, la industria necesita pequeños dispositivos de almacenamiento de energía con grandes densidades volumétricas de energía.

En masa, los supercondensadores pueden tener un almacenamiento de energía comparable, o densidad de energía, a las baterías. Pero debido a que requieren grandes cantidades de superficie accesible para almacenar energía, siempre se han quedado muy rezagados en densidad de energía por volumen.

Su enfoque

Para mejorar la densidad de energía por volumen, los investigadores diseñaron una fibra híbrida.

Una solución que contiene nanotubos de pared simple oxidados con ácido, óxido de grafeno y etilendiamina, que promueve la síntesis y dopa el grafeno con nitrógeno, se bombea a través de un tubo reforzado, estrecho y flexible llamado columna capilar y se calienta en un horno durante seis horas.

Hojas de grafeno, de uno a unos pocos átomos de espesor, y alineado, Los nanotubos de carbono de pared simple se autoensamblan en una red prorosa interconectada que corre a lo largo de la fibra.

La disposición proporciona enormes cantidades de superficie accesible —396 metros cuadrados por gramo de fibra híbrida— para el transporte y almacenamiento de cargas.

Pero los materiales están empaquetados firmemente en la columna capilar y permanecen así mientras se bombean, resultando en la alta densidad de energía volumétrica.

El proceso que utiliza múltiples columnas capilares permitirá a los ingenieros fabricar fibras de forma continua y mantener una calidad constante. Chen dijo.

Los resultados

Los investigadores han fabricado fibras de hasta 50 metros y han descubierto que siguen siendo flexibles con una alta capacidad de 300 Faradios por centímetro cúbico.

En las pruebas, encontraron que tres pares de fibras dispuestas en serie triplicaban el voltaje mientras mantenían el mismo tiempo de carga / descarga.

Tres pares de fibras en paralelo triplicaron la corriente de salida y triplicaron el tiempo de carga / descarga, en comparación con una sola fibra que funciona con la misma densidad de corriente.

Cuando integran múltiples pares de fibras entre dos electrodos, la capacidad de almacenar electricidad, llamado capacitancia, aumentado linealmente según el número de fibras utilizadas.

Usando un gel de alcohol polivinílico / ácido fosfórico como electrolito, un micro-supercondensador de estado sólido hecho de un par de fibras ofrecía una densidad volumétrica de 6,3 microvatios hora por milímetro cúbico, que es comparable a la de una batería de litio de película delgada de 4 voltios y 500 microamperios hora.

El supercondensador de fibra demostró un valor de densidad de energía ultra alto, mientras se mantiene la alta densidad de potencia y la estabilidad del ciclo.

"Hemos probado el dispositivo de fibra durante 10, 000 ciclos de carga / descarga, y el dispositivo conserva alrededor del 93 por ciento de su rendimiento original, "Yu dijo, "mientras que las baterías recargables convencionales tienen una vida útil de menos de 1000 ciclos".

El equipo también probó el dispositivo para un almacenamiento de energía flexible. El dispositivo se sometió a una tensión mecánica constante y se evaluó su rendimiento. "El supercondensador de fibra sigue funcionando sin pérdida de rendimiento, incluso después de doblar cientos de veces, "Dijo Yu.

"Debido a que siguen siendo flexibles y estructuralmente consistentes a lo largo de su longitud, las fibras también se pueden tejer en un patrón cruzado en la ropa para dispositivos portátiles en textiles inteligentes ", dijo Chen.

Dicha ropa podría alimentar los dispositivos de monitoreo biomédico que un paciente usa en casa, proporcionar información a un médico en un hospital, Dijo Dai. Tejido en uniformes los supercondensadores similares a baterías podrían alimentar pantallas o transistores utilizados para la comunicación.

Los investigadores ahora están ampliando sus esfuerzos. Planean ampliar la tecnología a bajo costo, producción en masa de las fibras con el objetivo de comercializar micro-supercondensadores de alto rendimiento.

Además, "The team is also interested in testing these fibers for multifunctional applications, incluidas las baterías, células solares, biofuel cells, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."