Hilado de nanocables de niobio, visto aquí en una imagen de microscopio electrónico de barrido (fondo), se puede utilizar para fabricar supercondensadores muy eficientes, Los investigadores del MIT han encontrado. Agregar una capa de polímero conductor al hilo (mostrado en rosa, recuadro) aumenta aún más la capacidad de carga del condensador. Los iones positivos y negativos del material se representan como esferas azules y rojas.
Los dispositivos electrónicos portátiles para el control de la salud y el estado físico son un área de rápido crecimiento de la electrónica de consumo; una de sus mayores limitaciones es la capacidad de sus diminutas baterías para entregar suficiente energía para transmitir datos. Ahora, Investigadores del MIT y de Canadá han encontrado un nuevo enfoque prometedor para entregar las breves pero intensas ráfagas de energía que necesitan estos pequeños dispositivos.
La clave es un nuevo enfoque para fabricar supercondensadores:dispositivos que pueden almacenar y liberar energía eléctrica en tales ráfagas, que son necesarios para transmisiones breves de datos desde dispositivos portátiles como monitores de frecuencia cardíaca, ordenadores, o teléfonos inteligentes, dicen los investigadores. También pueden ser útiles para otras aplicaciones donde se necesita alta potencia en pequeños volúmenes, como los microrobots autónomos.
El nuevo enfoque utiliza hilos, hecho de nanocables del elemento niobio, como los electrodos en diminutos supercondensadores (que son esencialmente pares de fibras conductoras de electricidad con un aislante entre ellas). El concepto se describe en un artículo de la revista. Materiales e interfaces aplicados de ACS por el profesor de ingeniería mecánica del MIT Ian W. Hunter, estudiante de doctorado Seyed M. Mirvakili, y otros tres en la Universidad de Columbia Británica.
Los investigadores en nanotecnología han estado trabajando para aumentar el rendimiento de los supercondensadores durante la última década. Entre los nanomateriales, Las nanopartículas de carbono, como los nanotubos de carbono y el grafeno, han mostrado resultados prometedores. pero sufren de conductividad eléctrica relativamente baja, Dice Mirvakili.
En este nuevo trabajo, él y sus colegas han demostrado que las características deseables para tales dispositivos, como alta densidad de potencia, no son exclusivos de las nanopartículas de carbono, y que el hilo de nanocables de niobio es una alternativa prometedora.
"Imagina que tienes algún tipo de sistema de control de salud portátil, "Hunter dice, "y necesita transmitir datos, por ejemplo usando Wi-Fi, a una larga distancia ". Por el momento, las baterías del tamaño de una moneda que se utilizan en muchos dispositivos electrónicos pequeños tienen una capacidad muy limitada para entregar mucha energía a la vez, que es lo que necesitan tales transmisiones de datos.
Seyed Mirvakili, autor principal del artículo que describe los supercondensadores de niobio, examina una hebra del material en el laboratorio. Crédito:Craig Cheney
"La conexión Wi-Fi de larga distancia requiere una buena cantidad de energía, "dice Hunter, el profesor George N. Hatsopoulos de termodinámica en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, "pero puede que no sea necesario por mucho tiempo". Las baterías pequeñas generalmente no son adecuadas para tales necesidades de energía, él añade.
"Sabemos que es un problema que experimentan varias empresas en el ámbito del control de la salud o el control del ejercicio. Por lo tanto, una alternativa es optar por una combinación de una batería y un condensador, "Hunter dice:la batería a largo plazo, funciones de bajo consumo, y el condensador para ráfagas cortas de alta potencia. Dicha combinación debería poder aumentar el alcance del dispositivo, o, quizás más importante en el mercado, reducir significativamente los requisitos de tamaño.
El nuevo supercondensador basado en nanocables supera el rendimiento de las baterías existentes, mientras ocupa un volumen muy pequeño. "Si tienes un Apple Watch y reduzco el 30 por ciento de la masa, puede que ni siquiera te des cuenta, "Dice Hunter." Pero si reduce el volumen en un 30 por ciento, eso sería un gran problema, ", dice:los consumidores son muy sensibles al tamaño de los dispositivos portátiles.
La innovación es especialmente significativa para dispositivos pequeños, Hunter dice:porque otras tecnologías de almacenamiento de energía, como las pilas de combustible, baterías y volantes, tienden a ser menos eficientes, o simplemente demasiado complejo para ser práctico cuando se reduce a tamaños muy pequeños. "Estamos en un punto óptimo, " él dice, con una tecnología que puede ofrecer grandes ráfagas de energía desde un dispositivo muy pequeño.
Idealmente, Hunter dice:Sería deseable tener una alta densidad de energía volumétrica (la cantidad de energía almacenada en un volumen dado) y una alta densidad de energía volumétrica (la cantidad de energía en un volumen dado). "Nadie ha descubierto cómo hacer eso, ", dice. Sin embargo, con el nuevo dispositivo, "Tenemos una densidad de potencia volumétrica bastante alta, densidad de energía media, y un bajo costo, "una combinación que podría ser adecuada para muchas aplicaciones.
El niobio es un material bastante abundante y muy utilizado, Mirvakili dice:por lo que todo el sistema debe ser económico y fácil de producir. "El costo de fabricación es barato, ", dice. Otros grupos han fabricado supercondensadores similares utilizando nanotubos de carbono u otros materiales, pero los hilos de niobio son más fuertes y 100 veces más conductores. En general, Los supercondensadores basados en niobio pueden almacenar hasta cinco veces más energía en un volumen dado que las versiones de nanotubos de carbono.
El niobio también tiene un punto de fusión muy alto:casi 2, 500 grados Celsius, por lo que los dispositivos fabricados con estos nanocables podrían ser potencialmente adecuados para su uso en aplicaciones de alta temperatura.
Además, el material es muy flexible y se puede tejer en telas, habilitar formas portátiles; Los nanocables de niobio individuales tienen solo 140 nanómetros de diámetro, 140 mil millonésimas de metro de diámetro, o alrededor de una milésima parte del ancho de un cabello humano.
Hasta aquí, el material se ha producido solo en dispositivos a escala de laboratorio. El siguiente paso, ya en camino, es descubrir cómo diseñar un versión de fácil fabricación, dicen los investigadores.
"El trabajo es muy importante en el desarrollo de tejidos inteligentes y tecnologías portátiles futuras, "dice Geoff Spinks, profesor de ingeniería en la Universidad de Wollongong, en Australia, que no estuvo asociado con esta investigación. Este papel, él añade, "demuestra de forma convincente el impresionante rendimiento de los supercondensadores de fibra a base de niobio".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
