Los paquetes de nanotubos de carbono recubiertos con alúmina y óxido de zinc dopado con aluminio son el corazón de un supercondensador de estado sólido desarrollado por científicos de la Universidad de Rice para el almacenamiento de energía. (Crédito:Laboratorio Hauge / Universidad Rice)
Los investigadores de la Universidad de Rice han creado un estado sólido, Supercondensador basado en nanotubos que promete combinar las mejores cualidades de las baterías de alta energía y los condensadores de carga rápida en un dispositivo apto para entornos extremos.
Un artículo del laboratorio Rice del químico Robert Hauge, para ser publicado en la revista Carbón , informó la creación de robustos, almacenamiento de energía versátil que puede integrarse profundamente en la fabricación de dispositivos. Los usos potenciales abarcan desde nanocircuitos en chip hasta plantas de energía enteras.
Los condensadores estándar que regulan el flujo o suministran ráfagas rápidas de energía se pueden descargar y recargar cientos de miles de veces. Condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), generalmente conocidos como supercondensadores, son híbridos que contienen cientos de veces más energía que un condensador estándar, como una batería, conservando sus capacidades de carga / descarga rápida.
Pero los EDLC tradicionales se basan en electrolitos líquidos o en forma de gel que pueden descomponerse en condiciones de mucho calor o frío. En el supercondensador de Rice, un sólido, La capa a nanoescala de material dieléctrico de óxido reemplaza los electrolitos por completo.
Los investigadores también aprovecharon la escala. La clave para una alta capacitancia es dar a los electrones más superficie para habitar, y nada en la Tierra tiene más potencial para empaquetar una gran cantidad de superficie en un espacio pequeño que los nanotubos de carbono.
Cuando crezca, nanotubos se autoensamblan en densos, estructuras alineadas que se asemejan a alfombras de pelo largo microscópicas. Incluso después de que se conviertan en supercondensadores autónomos, cada paquete de nanotubos es 500 veces más largo que ancho. Un chip diminuto puede contener cientos de miles de paquetes.
Para el nuevo dispositivo, El equipo de Rice cultivó una serie de haces de nanotubos de carbono de pared simple de 15-20 nanómetros de hasta 50 micrones de largo. Hauge, un distinguido miembro de la facultad de química, dirigió el esfuerzo con los exalumnos graduados de Rice, Cary Pint, primer autor del artículo y ahora investigador en Intel, y Nolan Nicholas, ahora investigador en Matric.
Luego, la matriz se transfirió a un electrodo de cobre con capas delgadas de oro y titanio para ayudar a la adhesión y la estabilidad eléctrica. Los haces de nanotubos (los electrodos primarios) se doparon con ácido sulfúrico para mejorar sus propiedades conductoras; luego se cubrieron con capas delgadas de óxido de aluminio (la capa dieléctrica) y óxido de zinc dopado con aluminio (el contraelectrodo) a través de un proceso llamado deposición de capa atómica (ALD). Un electrodo superior de pintura plateada completó el circuito.
Los haces de nanotubos de carbono están en el centro de los supercondensadores desarrollados en la Universidad de Rice. Las matrices de haces de nanotubos se recubren mediante deposición de capas atómicas para crear miles de dispositivos microscópicos en una sola matriz. Las imágenes del microscopio electrónico de la derecha muestran la construcción de tres capas de uno de los supercondensadores, que tienen unos 100 nanómetros de ancho. (Crédito:Laboratorio Hauge / Universidad Rice)
"Esencialmente, Obtienes esta estructura de metal / aislante / metal, ", dijo Pint." Nadie ha hecho esto con un material de relación de aspecto tan alta y utilizando un proceso como ALD ".
Hauge dijo que el nuevo supercondensador es estable y escalable. "Todas las soluciones de estado sólido para el almacenamiento de energía estarán íntimamente integradas en muchos dispositivos futuros, incluyendo pantallas flexibles, bioimplantes, muchos tipos de sensores y todas las aplicaciones electrónicas que se benefician de velocidades de carga y descarga rápidas, " él dijo.
Pint dijo que el supercondensador mantiene una carga en ciclos de alta frecuencia y puede integrarse naturalmente en los materiales. Imaginó una carrocería de automóvil eléctrico que es una batería, o un microrobot con un a bordo, Fuente de alimentación no tóxica que se puede inyectar con fines terapéuticos en el torrente sanguíneo de un paciente.
Pint dijo que sería ideal para su uso en el tipo de condiciones extremas que experimentan las células solares en el desierto o en satélites. donde el peso también es un factor crítico. "El desafío para el futuro de los sistemas de energía es integrar las cosas de manera más eficiente. Esta arquitectura de estado sólido está a la vanguardia, " él dijo.
