(Phys.org) —Imagina un futuro en el que nuestros aparatos eléctricos ya no estén limitados por enchufes y fuentes de energía externas. Esta fascinante perspectiva es una de las razones del interés actual en desarrollar la capacidad de almacenar energía eléctrica directamente en una amplia gama de productos. como una computadora portátil cuya carcasa le sirve de batería, o un coche eléctrico alimentado por energía almacenada en su chasis, o una casa donde la pared seca y el revestimiento almacenan la electricidad que hace funcionar las luces y los electrodomésticos.

También hace que lo pequeño Las obleas grises opacas que el estudiante de posgrado Andrew Westover y el profesor asistente de Ingeniería Mecánica Cary Pint han hecho en el Laboratorio de Nanomateriales y Dispositivos de Energía de Vanderbilt son mucho más importantes de lo que sugiere su apariencia anodina.

"Estos dispositivos demuestran, por primera vez hasta donde sabemos, que es posible crear materiales que puedan almacenar y descargar cantidades significativas de electricidad mientras están sujetos a cargas estáticas y fuerzas dinámicas realistas, como vibraciones o impactos, ", dijo Pint." Andrew ha logrado hacer realidad nuestro sueño de materiales de almacenamiento de energía estructural ".

Eso es importante porque el almacenamiento de energía estructural cambiará la forma en que se desarrolla una amplia variedad de tecnologías en el futuro.

"Cuando puedes integrar la energía en los componentes que se utilizan para construir sistemas, abre la puerta a un mundo completamente nuevo de posibilidades tecnológicas. De repente, la capacidad de diseñar tecnologías sobre la base de la salud, entretenimiento, los viajes y la comunicación social no estarán limitados por enchufes y fuentes de alimentación externas, "Dijo Pint.

El nuevo dispositivo que han desarrollado Pint y Westover es un supercondensador que almacena electricidad al ensamblar iones cargados eléctricamente en la superficie de un material poroso, en lugar de almacenarlo en reacciones químicas como lo hacen las baterías. Como resultado, los supercaps pueden cargarse y descargarse en minutos, en lugar de horas, y operar durante millones de ciclos, en lugar de miles de ciclos como baterías.

En un artículo que aparece en línea el 19 de mayo en la revista Nano letras , Pint y Westover informan que su nuevo supercondensador estructural funciona sin problemas para almacenar y liberar carga eléctrica mientras está sujeto a tensiones o presiones de hasta 44 psi y aceleraciones vibratorias de más de 80 g (significativamente mayores que las que actúan sobre las palas de la turbina en un motor a reacción).

Es más, la robustez mecánica del dispositivo no compromete su capacidad de almacenamiento de energía. "En un paquete, estado estructuralmente integrado, nuestro supercondensador puede almacenar más energía y operar a voltajes más altos que un paquete, supercondensador comercial listo para usar, incluso bajo intensas fuerzas dinámicas y estáticas, "Dijo Pint.

Un área en la que los supercondensadores se quedan atrás de las baterías es en la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica:los supercapacitores deben ser más grandes y pesados ​​para almacenar la misma cantidad de energía que las baterías de iones de litio. Sin embargo, la diferencia no es tan importante cuando se consideran los sistemas de almacenamiento de energía multifuncionales.

"Las métricas de rendimiento de la batería cambian cuando se coloca el almacenamiento de energía en materiales pesados ​​que ya son necesarios para la integridad estructural, ", dijo Pint." Los supercondensadores almacenan diez veces menos energía que las baterías de iones de litio actuales, pero pueden durar mil veces más. Eso significa que son más adecuados para aplicaciones estructurales. No tiene sentido desarrollar materiales para construir una casa, chasis de coche, o vehículo aeroespacial si tiene que reemplazarlos cada pocos años porque se mueren ".

Las obleas de Westover consisten en electrodos hechos de silicio que han sido tratados químicamente para que tengan poros a nanoescala en sus superficies internas y luego se recubren con una capa protectora ultrafina de carbono similar al grafeno. Intercalada entre los dos electrodos hay una película de polímero que actúa como un depósito de iones cargados, similar al papel de la pasta electrolítica en una batería. Cuando los electrodos se presionan juntos, el polímero rezuma en los poros diminutos de la misma manera que el queso derretido empapa los rincones y grietas del pan artesanal en un Panini. Cuando el polímero se enfría y solidifica, forma una unión mecánica extremadamente fuerte.

"El mayor problema con el diseño de supercapsulantes que soportan carga es evitar que se deslaminen, ", dijo Westover." La combinación de material nanoporoso con el polímero electrolito une las capas con más fuerza que el pegamento ".

El uso de silicio en supercondensadores estructurales es más adecuado para la electrónica de consumo y las células solares. pero Pint y Westover confían en que las reglas que gobiernan el carácter de carga de su diseño se trasladarán a otros materiales, como nanotubos de carbono y metales porosos ligeros como el aluminio.

La intensidad del interés en los dispositivos "multifuncionales" de este tipo se refleja en el hecho de que la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía del Departamento de Energía de EE. UU. Está invirtiendo $ 8,7 millones en proyectos de investigación que se enfocan específicamente en incorporar almacenamiento de energía en materiales estructurales. También ha habido informes de prensa recientes sobre varios esfuerzos importantes para desarrollar materiales multifuncionales o baterías estructurales para su uso en vehículos eléctricos y para aplicaciones militares. Sin embargo, Pint señaló que no ha habido informes en la literatura técnica de pruebas realizadas en materiales de almacenamiento de energía estructural que muestren cómo funcionan bajo cargas mecánicas realistas.