Los dispositivos electrónicos portátiles para el monitoreo de la salud y el estado físico son un área de electrónica de consumo en rápido crecimiento; una de sus mayores limitaciones es la capacidad de sus pequeñas baterías para entregar suficiente energía para transmitir datos. Ahora, los investigadores del MIT y de Canadá han encontrado unUn nuevo enfoque prometedor para ofrecer las breves pero intensas explosiones de energía que necesitan estos dispositivos tan pequeños.
La clave es un nuevo enfoque para hacer 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 ritmo cardíaco, computadoras o teléfonos inteligentes, según los investigadoresdigamos. También pueden ser útiles para otras aplicaciones donde se necesita alta potencia en pequeños volúmenes, como microrobots autónomos.
El nuevo enfoque utiliza hilos, hechos de nanocables del elemento niobio, como electrodos en pequeños supercondensadores que son esencialmente pares de fibras conductoras de electricidad con un aislante en medio. El concepto se describe en un artículo en la revista ACS Materiales e interfaces aplicados por el profesor de ingeniería mecánica del MIT Ian W. Hunter, el estudiante de doctorado Seyed M. Mirvakili y otros tres en la Universidad de Columbia Británica.
Los investigadores de nanotecnología han estado trabajando para aumentar el rendimiento de los supercondensadores durante la última década. Entre los nanomateriales, las nanopartículas a base de carbono, como los nanotubos de carbono y el grafeno, han mostrado resultados prometedores, pero sufren una conductividad eléctrica relativamente baja, Mirvakilidice.
En este nuevo trabajo, él y sus colegas han demostrado que las características deseables para tales dispositivos, como la alta densidad de potencia, no son exclusivas de las nanopartículas a base de carbono, y que el hilo de nanocables de niobio es una alternativa prometedora.
"Imagine que tiene algún tipo de sistema portátil de monitoreo de salud", dice Hunter, "y necesita transmitir datos, por ejemplo, utilizando Wi-Fi, a larga distancia". En este momento, el tamaño de una monedalas baterías utilizadas en muchos dispositivos electrónicos pequeños tienen una capacidad muy limitada para entregar mucha energía a la vez, que es lo que necesitan esas transmisiones de datos.
"El Wi-Fi de larga distancia requiere una buena cantidad de energía", dice Hunter, profesor de termodinámica de George N. Hatsopoulos en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, "pero puede que no sea necesario por mucho tiempo".generalmente mal adaptado para tales necesidades de energía, agrega.
"Sabemos que es un problema experimentado por varias compañías en el espacio de monitoreo de salud o monitoreo de ejercicio. Por lo tanto, una alternativa es ir a una combinación de una batería y un condensador", dice Hunter: la batería por mucho tiempotérmino, funciones de baja potencia y el condensador para ráfagas cortas de alta potencia. Tal combinación debería ser capaz de 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 tiene un Apple Watch y reduzco el 30 por ciento de la masa, es posible que ni se dé cuenta", dice Hunter."Pero si reduce el volumen en un 30 por ciento, sería un gran problema", dice: los consumidores son muy sensibles al tamaño de los dispositivos portátiles.
La innovación es especialmente significativa para dispositivos pequeños, dice Hunter, porque otras tecnologías de almacenamiento de energía, como las celdas de combustible, las baterías y los volantes tienden a ser menos eficientes o simplemente demasiado complejas para ser prácticas cuando se reducen a muytamaños pequeños. "Estamos en un punto óptimo", dice, con una tecnología que puede proporcionar grandes explosiones de energía desde un dispositivo muy pequeño.
Idealmente, dice Hunter, 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 cómopara hacerlo ", dice. Sin embargo, con el nuevo dispositivo," tenemos una densidad de potencia volumétrica bastante alta, una 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 ampliamente utilizado, dice Mirvakili, por lo que todo el sistema debería ser económico y fácil de producir. "El costo de fabricación es barato", dice. Otros grupos han hecho 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 a base de 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 adecuados para su uso en aplicaciones de alta temperatura.
Además, el material es muy flexible y podría ser tejido en telas, permitiendo formas portátiles; los nanocables de niobio individuales tienen solo 140 nanómetros de diámetro, 140 billonésimas de metro de ancho, o aproximadamente una milésima parte del ancho de un cabello humano.
Hasta ahora, el material se ha producido solo en dispositivos a escala de laboratorio. El siguiente paso, ya en marcha, es descubrir cómo diseñar una versión práctica y fácil de fabricar, dicen los investigadores.
"El trabajo es muy significativo en el desarrollo de telas inteligentes y futuras tecnologías portátiles", dice Geoff Spinks, profesor de ingeniería en la Universidad de Wollongong, en Australia, que no estuvo asociado con esta investigación. Este documento, agrega, "demuestra de manera convincente el rendimiento impresionante de los supercondensadores de fibra a base de niobio".
El equipo también incluyó al estudiante de doctorado Mehr Negar Mirvakili y los profesores Peter Englezos y John Madden, todos de la Universidad de Columbia Británica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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