Investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Michigan han diseñado un tipo novedoso de supercondensador que sigue siendo completamente funcional incluso cuando se estira a ocho veces su tamaño original. No muestra ningún desgaste por estirarse repetidamente y pierde solo unos pocos puntos porcentuales de rendimiento energético después de 10, 000 ciclos de carga y descarga.

Los investigadores imaginan que el supercondensador es parte de una energía independiente, estirable sistema electrónico flexible para aplicaciones como dispositivos electrónicos portátiles o biomédicos.

Los resultados aparecen en línea el 19 de marzo en Importar , una revista de Cell Press. El equipo de investigación incluye al autor principal Changyong Cao, profesor asistente de embalaje, ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Estatal de Michigan (MSU), y el autor principal Jeff Glass, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. Sus coautores son los estudiantes de doctorado Yihao Zhou y Qiwei Han y el científico investigador Charles Parker de Duke, así como Ph.D. el estudiante Yunteng Cao de los Institutos Tecnológicos de Massachusetts.

"Nuestro objetivo es desarrollar dispositivos innovadores que puedan sobrevivir a deformaciones mecánicas como estiramientos, torcerse o doblarse sin perder rendimiento, "dijo Cao, director del Laboratorio de Máquinas Blandas y Electrónica de MSU. "Pero si la fuente de energía de un dispositivo electrónico extensible no es estirable, entonces todo el sistema del dispositivo estará restringido para que no se pueda estirar ".

Un supercondensador (también denominado a veces ultracondensador) almacena energía como una batería, pero con algunas diferencias importantes. A diferencia de las baterías, que almacenan energía químicamente y generan cargas a través de reacciones químicas, un supercondensador electrostático de doble capa (EDLSC), almacena energía a través de la separación de cargas y no puede crear su propia electricidad. Debe cargarse desde una fuente externa. Durante la carga, los electrones se acumulan en una parte del dispositivo y se eliminan de la otra, de modo que cuando los dos lados estén conectados, la electricidad fluye rápidamente entre ellos.

También a diferencia de las baterías, Los supercondensadores pueden descargar su energía en ráfagas cortas pero masivas, en lugar de a través de un largo, goteo lento. También pueden cargarse y descargarse mucho más rápido que una batería y tolerar muchos más ciclos de carga y descarga que una batería recargable. Esto los hace perfectos para abreviar aplicaciones de alta potencia como disparar el flash en una cámara o los amplificadores en un estéreo.

Pero la mayoría de los supercondensadores son tan duros y frágiles como cualquier otro componente de una placa de circuito. Es por eso que Cao y Glass llevan años trabajando en una versión estirable.

En su nuevo periódico, los investigadores demuestran la culminación de su trabajo hasta este punto, fabricando un supercondensador del tamaño de una estampilla que puede transportar más de dos voltios. Al conectar cuatro juntos, tantos dispositivos requieran para pilas AA o AAA, los supercondensadores podrían alimentar un reloj Casio de dos voltios durante una hora y media.

Para hacer los supercondensadores extensibles, Glass y su equipo de investigación cultivan primero un bosque de nanotubos de carbono, un parche de millones de nanotubos de solo 15 nanómetros de diámetro y 20-30 micrómetros de alto, sobre una oblea de silicio. Eso es aproximadamente el ancho de las bacterias más pequeñas y la altura de la célula animal que infecta.

Luego, los investigadores recubren una fina capa de nanofilm de oro en la parte superior del bosque de nanotubos de carbono. La capa de oro actúa como una especie de colector eléctrico, bajando la resistencia del dispositivo un orden de magnitud por debajo de las versiones anteriores, lo que permite que el dispositivo se cargue y descargue mucho más rápido.

Glass luego entrega el proceso de ingeniería a Cao, que transfiere el bosque de nanotubos de carbono a un sustrato de elastómero preestirado con la base dorada hacia abajo. A continuación, se relaja el electrodo lleno de gel para permitir que se libere la tensión previa, provocando que se encoja a una cuarta parte de su tamaño original. Este proceso arruga la fina capa de oro y aplasta los "árboles" en el bosque de nanotubos de carbono.

"El arrugado aumenta enormemente la cantidad de superficie disponible en una pequeña cantidad de espacio, lo que aumenta la cantidad de carga que puede contener, "explicó Glass." Si tuviéramos todo el espacio del mundo para trabajar, una superficie plana funcionaría bien. Pero si queremos un supercondensador que se pueda utilizar en dispositivos reales, tenemos que hacerlo lo más pequeño posible ".

Luego, el bosque superdenso se llena con un electrolito en gel que puede atrapar electrones en la superficie de los nanotubos. Cuando dos de estos electrodos finales se colocan juntos, un voltaje aplicado carga un lado con electrones mientras que el otro se drena, creando un supercondensador súper estirable cargado.

"Todavía tenemos trabajo por hacer para construir un sistema electrónico extensible completo, "Dijo Cao." El supercondensador demostrado en este documento no llega tan lejos como quisiéramos todavía. Pero con esta base de un supercondensador extensible robusto, podremos integrarlo en un sistema que consta de alambres extensibles, sensores y detectores para crear dispositivos completamente extensibles ".

Supercondensadores extensibles, los investigadores explican, podría alimentar algunos dispositivos futuristas por sí mismos, o podrían combinarse con otros componentes para superar los desafíos de ingeniería. Por ejemplo, Los supercondensadores se pueden cargar en cuestión de segundos y luego recargar lentamente una batería que actúa como la principal fuente de energía para un dispositivo. Este enfoque se ha utilizado para el frenado regenerativo en automóviles híbridos, donde la energía se genera más rápido de lo que se puede almacenar. Los supercondensadores aumentan la eficiencia de todo el sistema. O como ya ha demostrado Japón, los supercondensadores pueden alimentar un bus para desplazamientos urbanos, completando una recarga completa en cada parada en el poco tiempo que lleva cargar y descargar pasajeros.

"Mucha gente quiere acoplar supercondensadores y baterías, ", Dijo Glass." Un supercondensador puede cargarse rápidamente y sobrevivir a miles o incluso millones de ciclos de carga, mientras que las baterías pueden almacenar más carga para que puedan durar mucho tiempo. Ponerlos juntos te da lo mejor de ambos mundos. Cumplen dos funciones diferentes dentro del mismo sistema eléctrico ".