Supercondesatori allungabili per l’elettronica del futuro

Abbiamo bisogno di condensatori più versatili per sfruttare al meglio l’energia nel campo dell’elettronica indossabile o delle auto elettriche.

Il supercondensatore descritto in questo studio fa parte di un sistema elettronico flessibile, indipendente dall’energia, per applicazioni come l’elettronica indossabile o i dispositivi biomedici.

I ricercatori della Duke University e della Michigan State University hanno progettato un nuovo tipo di supercondensatore che rimane pienamente funzionante anche se allungato a otto volte la sua dimensione originale. 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.

Il nostro obiettivo è sviluppare dispositivi innovativi in ​​grado di sopravvivere a deformazioni meccaniche come allungamento, torsione o flessione senza perdere prestazioni. Ma se la fonte di alimentazione di un dispositivo elettronico estensibile non è estensibile, l’intero sistema del dispositivo sarà costretto a non essere estensibile

Ha affermato Cao, direttore del Laboratory for Soft Machines and Electronics presso la Michigan State University

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 rigidi e fragili come qualsiasi altro componente su un circuito. Ecco perché Cao e Glass hanno passato anni a lavorare su una versione estensibile ed elastica.

Nel loro nuovo articolo, i ricercatori dimostrano i risultati del loro lavoro fino a questo punto, fabbricando un supercondensatore delle dimensioni di un francobollo che può trasportare più di due volt.

Quando se ne collegano quattro insieme, i supercondensatori possono alimentare un orologio Casio a due volt per un’ora e mezza.

Per rendere i supercondensatori estensibili, Glass e il suo team di ricerca coltivano prima una foresta di 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 è circa la larghezza dei più piccoli batteri e l’altezza della cellula animale che viene infettata da questi batteri.

I ricercatori hanno quindi rivestito un sottile strato di nanofilm d’oro sulla foresta di nanotubi di carbonio.

Lo strato d’oro agisce come 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.

Glass quindi passa il processo di ingegneria a Cao, che trasferisce la foresta 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” nella foresta di nanotubi di carbonio.

Lo stropicciamento aumenta notevolmente la quantità di superficie disponibile in una piccola quantità di spazio, il che aumenta la quantità di carica che può contenere. Se avessimo tutta lo spazio al mondo con cui lavorare, una superficie piatta funzionerebbe bene. Ma se vogliamo un supercondensatore che può essere utilizzato in dispositivi reali, dobbiamo renderlo il più piccolo possibile

La foresta super densa viene quindi riempita 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.

Abbiamo ancora del lavoro da fare per costruire un sistema elettronico estensibile completo. Il supercondensatore dimostrato in questo documento non si spinge ancora fino al punto in cui vorremo. Ma con questa base di un supercondensatore robusto ed estensibile, saremo in grado di integrarlo in un sistema che consiste di fili estensibili, sensori e rilevatori per creare dispositivi interamente estensibili

I supercondensatori estensibili, spiegano i ricercatori, potrebbero da soli alimentare alcuni dispositivi futuristici 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.

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.

 

 

• Qui lo studio completo: Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors(linkinghub.elsevier.com)