Supercondensatore estensibile per dispositivi indossabili


Supercondensatore estensibile per dispositivi indossabili

I ricercatori della Duke University e della Michigan State University hanno progettato un nuovo tipo di supercondensatore che rimane pienamente funzionale anche se viene dilatato a otto volte le sue dimensioni originali. Non mostra alcuna usura dovuta all'allungamento ripetuto e perde solo pochi punti percentuali di prestazione energetica dopo 10.000 cicli di carica e scarica.

I ricercatori immaginano che il supercondensatore faccia parte di un sistema elettronico flessibile, indipendente dall'energia, per applicazioni come l'elettronica indossabile o i dispositivi biomedici.

I risultati appaiono online su Matter, una rivista di Cell Press. (1) Il team di ricerca comprende: l'autore senior Changyong Cao, (2) assistente professore di packaging, ingegneria meccanica e ingegneria elettrica e informatica presso la Michigan State University (MSU); l'autore senior Jeffrey T. Glass, (3) professore di ingegneria elettrica e informatica presso Duke. I loro co-autori sono gli studenti di dottorato Yihao Zhou, (4) Qiwei Han e lo scienziato ricercatore Charles B. Parker (5) di Duke, nonché lo studente di dottorato Yunteng Cao del Massachusetts Institutes of Technology.

Il dottor Changyong Cao, direttore del Laboratory for Soft Machines and Electronics presso MSU, dichiara: «il nostro obiettivo è sviluppare dispositivi innovativi in grado di sopravvivere a deformazioni meccaniche come stiramenti, torsioni o flessioni senza perdere le prestazioni. Ma se la fonte di alimentazione di un dispositivo elettronico estensibile non lo è, l'intero sistema del dispositivo sarà costretto a non essere estensibile.»

Un supercondensatore (noto anche come ultracapacitore) immagazzina energia come una batteria, ma con alcune importanti differenze. A differenza delle batterie, che immagazzinano energia chimicamente e generano cariche attraverso reazioni chimiche, un supercondensatore elettrostatico a doppio strato (EDLSC), immagazzina energia attraverso la separazione delle cariche e non può creare la propria elettricità. Deve essere caricato da una fonte esterna. Durante la carica, gli elettroni vengono accumulati su una parte del dispositivo e rimossi dall'altra, in modo che quando i due lati sono collegati, l'elettricità scorre rapidamente tra di loro.

Inoltre, a differenza delle batterie, i supercondensatori sono in grado di scaricare la propria energia in brevi ma massicci scoppi, piuttosto che attraverso un lungo, lento gocciolamento. Possono anche caricare e scaricare molto più velocemente di una batteria e tollerano molti più cicli di carica-scarica rispetto a una batteria ricaricabile. Ciò li rende perfetti per applicazioni brevi e ad alta potenza come l'attivazione del flash in una fotocamera o gli amplificatori in uno stereo.

Ma la maggior parte dei supercondensatori sono duri e fragili come qualsiasi altro componente su un circuito. Ecco perché i ricercatori Changyong Cao e Jeffrey T. Glass hanno passato anni a lavorare su una versione estensibile.

Nel loro nuovo articolo, i ricercatori dimostrano il culmine del loro lavoro fino a questo punto, fabbricando un supercondensatore delle dimensioni di un timbro che può trasportare più di due volt. Quando si collegano quattro insieme, come molti dispositivi richiedono batterie AA o AAA, i supercondensatori potrebbero alimentare un orologio Casio a due volt per un'ora e mezza.

Per realizzare i supercondensatori estensibili, il dottor Jeffrey T. Glass e il suo team di ricerca hanno prima coltivato dei nanotubi di carbonio - una patch di milioni di nanotubi di soli 15 nanometri di diametro e 20-30 micrometri di altezza - sopra un wafer di silicio. Questo corrisponde a circa la larghezza dei più piccoli batteri e l'altezza della cellula animale che infetta. I ricercatori hanno quindi rivestito un sottile strato di nanofilm d'oro sulle file di nanotubi di carbonio. Lo strato d'oro funge da una sorta di collettore elettrico, facendo cadere la resistenza del dispositivo di un ordine di grandezza inferiore alle versioni precedenti, che consente al dispositivo di caricare e scaricare molto più velocemente.

Il vetro quindi passa il processo di ingegneria al dottor Changyong Cao, che trasferisce il cumulo di nanotubi di carbonio su un substrato di elastomero pre-stirato con la base d'oro rivolta verso il basso. L'elettrodo riempito di gel viene quindi rilassato per consentire il rilascio della pre-tensione, facendolo restringere a un quarto della sua dimensione originale. Questo processo fa crollare il sottile strato d'oro e rompe gli “alberi” nell'agglomerato di nanotubi di carbonio.

L'agglomerato super denso viene quindi riempito con un elettrolita di gel che può intrappolare gli elettroni sulla superficie dei nanotubi. Quando due di questi elettrodi finali vengono inseriti a sandwich vicini, una tensione applicata carica un lato con elettroni mentre l'altro viene scaricato, creando un supercondensatore superestensibile carico.

Il dottor Changyong Cao spiega: «abbiamo ancora del lavoro da fare per costruire un sistema elettronico estensibile completo. Il supercondensatore dimostrato in questo documento non si spinge fino al punto in cui lo vogliamo ancora. Tuttavia, con questa base di un supercondensatore robusto estensibile, saremo in grado di integrarlo in un sistema composto da fili dilatabili, sensori e rilevatori per creare dispositivi interamente estensibili.»

I supercondensatori estensibili, spiegano i ricercatori, potrebbero alimentare alcuni dispositivi futuristici da soli o potrebbero essere combinati con altri componenti per superare le sfide ingegneristiche. Ad esempio, i supercondensatori possono essere caricati in pochi secondi e quindi ricaricare lentamente una batteria che funge da fonte primaria di energia per un dispositivo. Questo approccio è stato utilizzato per la frenata rigenerativa nelle auto ibride, dove l'energia viene generata più velocemente di quanto possa essere immagazzinata. I supercondensatori aumentano l'efficienza dell'intero sistema. O come ha già dimostrato il Giappone, i supercapacitori possono alimentare un autobus per il pendolarismo urbano, completando una ricarica completa ad ogni fermata nel breve tempo necessario per caricare e scaricare i passeggeri.

Il dottor Jeffrey T. Glass, spiega: «molte persone vogliono accoppiare supercondensatori e batterie. Un supercondensatore può caricarsi rapidamente e sopravvivere a migliaia o addirittura milioni di cicli di ricarica, mentre le batterie possono accumulare più carica in modo che possano durare a lungo. Metterle insieme ti dà il meglio di entrambi i mondi. Svolgono due diverse funzioni all'interno dello stesso impianto elettrico sistema.»

Il suo lavoro è stato supportato dal NSF (ECCS-1344745), USDA National Institute of Food and Agriculture (Hatch Project 1016788), Michigan State University, e la North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network (RTNN), che è supportato dal NSF (ECCS-1542015).

Riferimenti:

(1) Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors

(2) Changyong Cao

(3) Jeffrey T. Glass

(4) Yihao Zhou

(5) Charles B. Parker

Descrizione foto: queste file di nanotubi di carbonio simili a foreste sono state create su un substrato di elastomero che è stato pre-stirato in una direzione e quindi lasciato contrarre. Questo processo crea supercapacitori estensibili che mantengono una maggiore carica in meno spazio e rimangono funzionali anche se allungati a otto volte le loro dimensioni originali. - Credit: Changyong Cao, Michigan State University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stretchable Supercapacitors to Power Tomorrow’s Wearable Devices

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