Investigadores de la Universidad Texas A&M han descubierto que cuando se carga un supercondensador, este almacena energía y responde estirándose y expandiéndose. Este hallazgo se puede utilizar para diseñar nuevos materiales para dispositivos electrónicos flexibles u otros dispositivos que deben ser resistentes y almacenar energía de manera eficiente.
La Dra. Jodie Lutkenhaus, jefa asociada del departamento de participación interna y profesora de ingeniería química, colaboró con el Dr. Dimitris Lagoudas, profesor de ingeniería aeroespacial y el Dr. James Boyd, profesor asociado de ingeniería aeroespacial en un nuevo artículo publicado en Matter .
"Medimos las tensiones que se desarrollaron en los electrodos de supercondensadores basados en grafeno y correlacionamos las tensiones con la forma en que los iones entran y salen del material", dijo Lutkenhaus. "Por ejemplo, cuando se hace funcionar un condensador, cada electrodo almacena y libera iones que pueden hacer que se hinche y se contraiga".
Lutkenhaus dijo que este movimiento repetido puede causar la acumulación de tensiones mecánicas, lo que resulta en fallas del dispositivo. Para combatir esto, su investigación busca crear un instrumento que mida las tensiones y deformaciones mecánicas en los materiales de almacenamiento de energía a medida que se cargan y descargan.
Este instrumento ofrece información sobre cómo medir el comportamiento mecánico durante la carga y descarga de un electrodo, lo que puede resultar complicado de observar en tiempo real.
"Somos pioneros en métodos experimentales para medir la respuesta electroquímica y mecánica simultánea de los electrodos", dijo Boyd. "Nuestra investigación ahora está pasando de los supercondensadores a las baterías."
El daño mecánico limita el ciclo de vida de las baterías, por lo que se necesitan nuevos hardware y modelos para interpretar las mediciones experimentales y separar los efectos de la difusión de masa, las reacciones, la deformación inelástica y el daño mecánico.
Las baterías y los condensadores pueden fallar debido a los diferentes efectos de las tensiones mecánicas internas y externas. Las tensiones internas se producen cuando las baterías desarrollan ciclos repetidos del dispositivo, mientras que las tensiones externas pueden resultar del impacto o la penetración del dispositivo.
Cuando ocurren estas tensiones, la batería debe poder soportar el daño. Lutkenhaus dijo que es importante comprender cómo se desarrolla la tensión mecánica en el estado electroquímico del dispositivo.
"Desarrollamos un instrumento que puede hacer precisamente eso", dijo Lutkenhaus. "Al obtener esta información fundamental, podríamos diseñar dispositivos de almacenamiento de energía más seguros y que duren más".
La investigación tiene como objetivo desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía que puedan soportar cargas estructurales y, eventualmente, reemplazar los plásticos reforzados con fibra de carbono que actúan como paneles estructurales en los aviones, mejorando así la eficiencia energética.
"Este artículo es el resultado de una colaboración continua entre científicos de ingeniería química y de ingeniería aeroespacial", dijo Lagoudas. "Esta investigación proporciona una comprensión única de cómo se pueden utilizar los nanomateriales para dispositivos de almacenamiento de energía ligeros y resistentes para aplicaciones aeroespaciales".
Más información: Dimitrios Loufakis et al, Acoplamiento electroquimiomecánico in situ de electrodos de supercondensadores de nanomateriales 2D, Materia (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017
Información de la revista: Asunto
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Texas A&M
