La crescente domanda di sensori elettronici super minuscoli provenienti dall'assistenza sanitaria, dai servizi ambientali e dall'Internet delle cose sta spingendo alla ricerca di modi altrettanto piccoli per alimentare questi sensori. Una revisione dello stato dei supercondensatori ultracompatti, o "micro-supercondensatori", conclude che c'è ancora molta ricerca da fare prima che questi dispositivi possano mantenere le loro promesse.

La recensione è apparsa sulla rivista Nano Research Energy .

L'esplosione della domanda degli ultimi anni di dispositivi elettronici miniaturizzati, come monitor sanitari, sensori ambientali e tecnologie di comunicazione wireless, ha a sua volta spinto la domanda di componenti per quei dispositivi che hanno dimensioni e peso sempre più ridotti, con un minor consumo di energia, e tutto questo a prezzi più convenienti.

I più illustrativi del requisito per componenti elettronici così piccoli ma ad alte prestazioni sono le esigenze emergenti ma sostanziali dell'Internet delle cose:l'inclusione di più microsensori in grado di ricevere, elaborare e trasmettere segnali in una gamma di applicazioni da smart- tecnologia domestica all'assistenza sanitaria. Tali microsensori tendono ad essere installati in spazi estremamente limitati.

Poiché questi microsensori, come i loro cugini macro, devono funzionare con energia da qualche parte, devono essere accoppiati con fonti di "micropotenza" altrettanto minuscole. Ma l'incorporazione di dispositivi di accumulo di energia convenzionali come le batterie, anche molto piccole, rende i sensori troppo pesanti e ingombranti per i requisiti dell'Internet delle cose.

Di conseguenza, scienziati e ingegneri hanno esplorato la possibilità di trasformare fonti di energia come la luce o anche le vibrazioni meccaniche in elettricità, ma ciò richiede comunque una sorta di accumulo di energia per compensare l'intermittenza e l'instabilità di queste fonti.

Cosa può fare il lavoro di una batteria ma non deve essere ingombrante come una batteria? I microsupercondensatori sono un'opzione.

I condensatori possono essere familiari a elettricisti e ingegneri elettrici, ma il pubblico in generale potrebbe avere meno familiarità con il funzionamento di quanto non lo siano con le batterie. Un condensatore immagazzina energia ma sotto forma di un campo elettrico invece che chimicamente come con una batteria. Non può immagazzinare tanta energia quanto una batteria, ma può caricare e rilasciare la sua energia molto più rapidamente.

Un supercondensatore è un condensatore con una capacità di accumulo di energia molto maggiore rispetto a un normale condensatore, il che lo rende una via di mezzo tra condensatori e batterie. E un supercondensatore ultracompatto, o "micro-supercondensatore" (MSC) è un supercondensatore sufficientemente piccolo da poter essere integrato in sistemi micro o addirittura nano-elettronici.

Sono questi MSC che hanno ricevuto una crescente attenzione nell'era dell'Internet delle cose, in particolare per consentire micro e nanoelettronici autoalimentati e wireless. Ciò è dovuto alla loro eccezionale potenza in uscita, durate ultra lunghe di circa 100.000 cicli, percorsi di diffusione più controllabili per elettroni o ioni (i minuscoli "attori" cinetici che fanno tutto il lavoro nei sistemi elettronici), prestazioni di uscita regolabili e facile integrazione con sistemi super piccoli.

"Ma ci sono ancora molte sfide affinché tutto ciò funzioni", ha affermato Zhong-Shuai Wu, coautore del documento di revisione e professore presso lo State Key Laboratory of Catalysis, presso l'Accademia cinese delle scienze. "Quindi abbiamo pensato che fosse giunto il momento di mettere insieme un articolo di revisione in modo che il campo possa identificare meglio ciò che abbiamo fatto bene e ciò che dovrà ancora correggere."

Gli articoli di revisione sono una fase chiave nello sviluppo di una giovane disciplina in modo che i ricercatori possano chiarire la comprensione attuale, identificare sfide e lacune nella ricerca. Le recensioni possono anche offrire linee guida per le norme e suggerimenti sulle migliori pratiche.

I revisori hanno concluso che le dimensioni della maggior parte delle MSC riportate nella letteratura scientifica rimangono troppo grandi per essere facilmente incorporate nei sistemi microelettronici. Un'attenzione limitata è stata concentrata sulla fabbricazione di MSC ultrapiccole, quelle più piccole di dieci millimetri quadrati, e sul confinamento ipercompatto dell'elettrolita (un elemento chiave delle MSC) su microscala.

Una delle sfide principali per gli MSC continua ad essere la necessità di ridurre le dimensioni delle caratteristiche, inclusa la lunghezza, la larghezza e il divario tra i microelettrodi adiacenti dei microelettrodi. Tutto ciò migliorerebbe la capacità di integrazione degli MSC nei relativi dispositivi. In questo senso, molti studi MSC si sono concentrati su tecniche di microfabbricazione ad alta precisione come la fotolitografia, la tecnica di scrittura laser, l'incisione a fascio di ioni focalizzati e nuovi metodi di stampa.

Altri recenti progressi dell'MSC includono lo sviluppo di una risoluzione superiore, una tensione di uscita regolabile, una capacità migliorata (la capacità dell'MSC di raccogliere e immagazzinare energia sotto forma di carica elettrica) e la deposizione di elettroliti conformabili.

Nonostante una serie di risultati impressionanti, soprattutto su scala nanometrica, l'energia e la densità di potenza rimangono insoddisfacenti per prestazioni convenienti. Inoltre, la comprensione teorica ha bisogno di lavoro. A questo proposito, gli autori sostengono una maggiore cooperazione interdisciplinare dato il numero di campi rilevanti per la ricerca MSC e vorrebbero vedere l'introduzione dell'apprendimento automatico per aiutare con una progettazione precisa di MSC per soddisfare in modo più preciso le esigenze disparate in diversi scenari di applicazioni intelligenti. + Esplora ulteriormente

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