Un esquema muestra dispositivos de batería / supercondensador a nanoescala en una matriz, construido en la Universidad de Rice. Los dispositivos son prometedores para impulsar la electrónica a nanoescala y como una herramienta de investigación para comprender el fenómeno electroquímico a nanoescala. (Crédito:Ajayan Lab / Rice University)
En una vívida demostración del progreso que se está logrando en la miniaturización de los dispositivos de almacenamiento de energía, un equipo de ingenieros de Rice University en Houston, Texas, ha fabricado un dispositivo de almacenamiento de energía en el que todos los componentes esenciales se integran en un solo nanoalambre. El dispositivo de almacenamiento de energía de nanocables podría brindar a los investigadores una mejor comprensión de la electroquímica a nanoescala, y con optimización también podría utilizarse para alimentar dispositivos nanoelectrónicos.
Ingenieros de arroz Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, y Pulickel M. Ajayan han publicado su estudio sobre los dispositivos de almacenamiento de energía de nanocables en una edición reciente de Nano letras .
“Nuestro trabajo aquí ha demostrado por primera vez la fabricación de los tres componentes principales de un dispositivo de almacenamiento de energía:ánodo, electrólito, y cátodo - en un solo nanoalambre, "Ajayan dijo PhysOrg.com . "Esto representa la forma definitiva de miniaturización prometida por la nanotecnología y un avance en la fabricación de bloques de construcción de nanocables más complejos y funcionales para futuras aplicaciones de nanotecnología".
Los investigadores primero fabricaron un nuevo sistema electroquímico híbrido de película delgada que consta de un ánodo de níquel-estaño (Ni-Sn) y un cátodo de polianilina (PANI). que mostró un buen comportamiento electroquímico. Como dispositivo electroquímico híbrido (HED), el sistema combina las ventajas de las baterías (alta energía) y los supercondensadores (alta potencia) en un solo diseño.
Para fabricar el mismo sistema en una matriz de nanocables, los investigadores utilizaron plantillas de nanocables con diámetros de poro de aproximadamente 200 nm. Después de cubrir los poros con una fina capa de cobre, los investigadores llenaron los poros hasta la mitad con Ni-Sn para hacer el ánodo. Luego, los investigadores ampliaron químicamente los poros para cubrir el Ni-Sn con una capa delgada de electrolito de óxido de polietileno (PEO), que sirvió como separador. Finalmente, el cátodo PANI se integró a la estructura mediante un proceso de infiltración. En general, Todo el nanocable tenía unos pocos micrómetros de largo y tenía un área total de aproximadamente 0,5 cm. 2 .
Los investigadores fabricaron varios de estos dispositivos y luego los colocaron en una matriz paralela para probarlos. Al cargar y descargar los dispositivos, los investigadores demostraron que los dispositivos tienen buenas características generales de carga / descarga que podrían hacerlos atractivos para alimentar dispositivos nanoelectrónicos.
Otra ventaja de los dispositivos de nanocables es que sus electrodos no contienen litio. Aunque el litio se ha utilizado en muchas baterías y HED, limita la densidad de energía y es costoso de fabricar debido a la síntesis a alta temperatura. A diferencia de, Los materiales de los electrodos utilizados aquí (Ni-Sn y PANI) tienen la ventaja de ser fácilmente sintetizados a temperatura ambiente utilizando técnicas sencillas, haciéndolos mucho menos costosos.
“Con el avance de los dispositivos nanoelectrónicos, surge la necesidad de fuentes de energía a menor escala (nano), ”Ajayan dijo. “Con el desarrollo de fuentes de energía a nanoescala, tales requisitos pueden cumplirse. Además, La fabricación de estos dispositivos completamente funcionales en nanocables individuales podría ayudar a la comunidad científica a investigar y comprender mejor la electroquímica en las interfaces a nanoescala. Nuestro dispositivo aquí podría servir como una herramienta para comprender problemas importantes como la autodescarga, corrientes de fuga, y la naturaleza de las resistencias interfaciales de los dispositivos de almacenamiento de energía a nanoescala ".
En el futuro, los investigadores planean investigar formas de mejorar aún más el rendimiento del dispositivo de nanocables. Por ejemplo, optimizando el espesor de la capa separadora entre los dos electrodos, esperan minimizar la autodescarga que a menudo afecta a las baterías con separadores delgados, así como mejorar la baja eficiencia Coulombic. Los investigadores también esperan aumentar la longitud del electrodo mediante el uso de diferentes plantillas de nanocables, lo que podría conducir a un aumento en la capacidad del dispositivo por unidad de área.
"En este punto, es difícil conjeturar los dispositivos exactos que podrían usarse para alimentar, ”Ajayan dijo. “Hemos demostrado el funcionamiento de un dispositivo de matriz de nanocables colocado sobre un área geométrica de aproximadamente 0,5 cm 2 . Los dispositivos a esta escala podrían usarse para alimentar varios dispositivos MEMS. Por último, Cada una de las baterías de nanocables podría alimentar unos pocos dispositivos semiconductores de nanocables, por ejemplo ".
