Investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Michigan han diseñado un nuevo tipo de supercondensador que permanece completamente funcional incluso cuando se estira hasta ocho veces su tamaño original. No exhibe ningún desgaste por estirarse repetidamente y pierde solo unos pocos puntos porcentualesde rendimiento energético después de 10,000 ciclos de carga y descarga.
Los investigadores imaginan que el supercondensador forma parte de un sistema electrónico flexible, elástico y flexible para aplicaciones como dispositivos electrónicos portátiles o dispositivos biomédicos.
Los resultados aparecen en línea el 19 de marzo en materia , una revista de Cell Press. El equipo de investigación incluye al autor principal Changyong Cao, profesor asistente de empaque, ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Estatal de Michigan MSU, y el autor principal Jeff Glass, profesor de ingeniería eléctrica e informática.en Duke. Sus coautores son los estudiantes de doctorado Yihao Zhou y Qiwei Han y el científico investigador Charles Parker de Duke, así como el estudiante de doctorado Yunteng Cao de los Institutos Tecnológicos de Massachusetts.
"Nuestro objetivo es desarrollar dispositivos innovadores que puedan sobrevivir a las deformaciones mecánicas como estirarse, torcerse o doblarse sin perder rendimiento", dijo Cao, director del Laboratorio de máquinas blandas y electrónica en MSU. "Pero si la fuente de energía de un estirableel dispositivo electrónico no es extensible, entonces todo el sistema del dispositivo estará limitado a no ser extensible "
Un supercondensador también conocido como ultracondensador almacena energía como una batería, pero con algunas diferencias importantes. A diferencia de las baterías, que almacenan energía químicamente y generan cargas a través de reacciones químicas, un supercondensador electrostático de doble capa EDLSC almacenaenergía a través de la separación de carga y no puede crear su propia electricidad. Debe cargarse desde una fuente externa. Durante la carga, los electrones se acumulan en una parte del dispositivo y se eliminan de la otra, de modo que cuando los dos lados están conectados, la electricidad rápidamentefluye entre ellos.
También, a diferencia de las baterías, los supercondensadores pueden descargar su energía en ráfagas cortas pero masivas, en lugar de a través de un goteo largo y lento. También pueden cargar y descargar mucho más rápido que una batería y tolerar muchos más ciclos de carga y descarga que una recargablebatería. Esto los hace perfectos para aplicaciones cortas y de alta potencia, como la activación del flash en una cámara o los amplificadores en un estéreo.
Pero la mayoría de los supercondensadores son tan duros y frágiles como cualquier otro componente en una placa de circuito. Es por eso que Cao y Glass han pasado años trabajando en una versión elástica.
En su nuevo artículo, los investigadores demuestran la culminación de su trabajo hasta este punto, fabricando un supercondensador del tamaño de una estampilla que puede transportar más de dos voltios. Al conectar cuatro juntos, ya que muchos dispositivos requieren baterías AA o AAA, los supercondensadorespodría alimentar un reloj Casio de dos voltios durante una hora y media.
Para hacer los supercondensadores extensibles, Glass y su equipo de investigación primero cultivan un bosque de nanotubos de carbono, un parche de millones de nanotubos de solo 15 nanómetros de diámetro y 20-30 micrómetros de alto, encima de una oblea de silicio.ancho de las bacterias más pequeñas y altura de la célula animal que infecta.
Luego, los investigadores cubren una capa delgada de nanofilm de oro en la parte superior del bosque de nanotubos de carbono. La capa de oro actúa como una especie de colector eléctrico, dejando caer la resistencia del dispositivo en un orden de magnitud por debajo de las versiones anteriores, lo que permite que el dispositivocargar y descargar mucho más rápido.
Glass luego pasa el proceso de ingeniería a Cao, quien transfiere el bosque de nanotubos de carbono a un sustrato de elastómero pre-estirado con la base dorada hacia abajo. El electrodo lleno de gel se relaja para permitir que se libere la pre-tensión, haciendo que se reduzca a una cuarta parte de su tamaño original. Este proceso arruga la delgada capa de oro y destruye los "árboles" en el bosque de nanotubos de carbono.
"El arrugado aumenta en gran medida la cantidad de superficie disponible en una pequeña cantidad de espacio, lo que aumenta la cantidad de carga que puede contener", explicó Glass. "Si tuviéramos todo el espacio del mundo para trabajar, un pisola superficie funcionaría bien. Pero si queremos un supercondensador que pueda usarse en dispositivos reales, debemos hacerlo lo más pequeño posible ".
El bosque súper denso luego se llena con un electrolito en gel que puede atrapar electrones en la superficie de los nanotubos. Cuando dos de estos electrodos finales se intercalan entre sí, un voltaje aplicado carga un lado con electrones mientras que el otro se drena, creandoun supercondensador súper elástico cargado.
"Todavía tenemos trabajo por hacer para construir un sistema electrónico elástico completo", dijo Cao. "El supercondensador demostrado en este documento aún no llega tan lejos como deseamos. Pero con esta base de un sólido estiramiento robustosupercondensador, podremos integrarlo en un sistema que consiste en cables estirables, sensores y detectores para crear dispositivos completamente estirables ".
Los supercondensadores elásticos, explican los investigadores, podrían alimentar algunos dispositivos futuristas por sí solos, o podrían combinarse con otros componentes para superar los desafíos de ingeniería. Por ejemplo, los supercondensadores pueden cargarse en cuestión de segundos y luego recargar lentamente una batería queactúa como la fuente primaria de energía para un dispositivo. Este enfoque se ha utilizado para la ruptura regenerativa en automóviles híbridos, donde la energía se genera más rápido de lo que se puede almacenar. Los supercondensadores aumentan la eficiencia de todo el sistema. O como Japón ya ha demostrado,los supercondensadores pueden alimentar un autobús para desplazamientos urbanos, completando una recarga completa en cada parada en el corto tiempo que lleva cargar y descargar pasajeros.
"Mucha gente quiere juntar supercondensadores y baterías", dijo Glass. "Un supercondensador puede cargar rápidamente y sobrevivir miles o incluso millones de ciclos de carga, mientras que las baterías pueden almacenar más carga para que puedan durar mucho tiempo.ellos juntos te dan lo mejor de ambos mundos. Cumplen dos funciones diferentes dentro del mismo sistema eléctrico ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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