Uno schema mostra dispositivi a batteria/supercondensatore su scala nanometrica in un array, come costruito alla Rice University. I dispositivi sono promettenti per l'alimentazione dell'elettronica su nanoscala e come strumento di ricerca per comprendere i fenomeni elettrochimici su scala nanometrica. (Credito:Ajayan Lab/Rice University)
In una vivida dimostrazione dei progressi compiuti nella miniaturizzazione dei dispositivi di accumulo di energia, un team di ingegneri della Rice University di Houston, Texas, ha fabbricato un dispositivo di accumulo di energia in cui tutti i componenti essenziali sono integrati su un singolo nanofilo. Il dispositivo di accumulo di energia a nanofili potrebbe fornire ai ricercatori una migliore comprensione dell'elettrochimica su scala nanometrica, e con l'ottimizzazione potrebbe essere utilizzato anche per alimentare dispositivi nanoelettronici.
Ingegneri del riso Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, e Pulickel M. Ajayan hanno pubblicato il loro studio sui dispositivi di accumulo di energia a nanofili in un recente numero di Nano lettere .
“Il nostro lavoro qui ha dimostrato per la prima volta la fabbricazione di tutti e tre i principali componenti di un dispositivo di accumulo di energia:anodo, elettrolita, e catodo – su un singolo nanofilo, "ha detto Ajayan PhysOrg.com . "Questo rappresenta l'ultima forma di miniaturizzazione promessa dalla nanotecnologia e un progresso nella fabbricazione di blocchi di costruzione di nanofili più complessi e funzionali per future applicazioni di nanotecnologia".
I ricercatori hanno prima fabbricato un nuovo sistema elettrochimico ibrido a film sottile costituito da un anodo di nichel-stagno (Ni-Sn) e un catodo di polianilina (PANI), che ha mostrato buone prestazioni elettrochimiche. Come dispositivo elettrochimico ibrido (HED), il sistema combina i vantaggi delle batterie (alta energia) e dei supercondensatori (alta potenza) in un unico design.
Per fabbricare lo stesso sistema su un array di nanofili, i ricercatori hanno utilizzato modelli di nanofili con diametri dei pori di circa 200 nm. Dopo aver rivestito i pori con un sottile strato di rame, i ricercatori hanno riempito i pori a metà con Ni-Sn per realizzare l'anodo. Quindi i ricercatori hanno allargato chimicamente i pori per rivestire il Ni-Sn con un sottile strato di elettrolita di ossido di polietilene (PEO), che fungeva da separatore. Finalmente, il catodo PANI è stato integrato nella struttura mediante un processo di infiltrazione. Globale, l'intero nanofilo era lungo pochi micrometri e aveva un'area totale di circa 0,5 cm 2 .
I ricercatori hanno fabbricato molti di questi dispositivi e poi li hanno disposti in un array parallelo per i test. Caricando e scaricando i dispositivi, i ricercatori hanno dimostrato che i dispositivi hanno complessivamente buone caratteristiche di carica/scarica che potrebbero renderli attraenti per l'alimentazione di dispositivi nanoelettronici.
Un altro vantaggio dei dispositivi a nanofili è che i loro elettrodi non contengono litio. Sebbene il litio sia stato utilizzato in molte batterie e HED, limita la densità di energia ed è costoso da fabbricare a causa della sintesi ad alta temperatura. In contrasto, i materiali elettrodici qui utilizzati (Ni-Sn e PANI) hanno il vantaggio di essere facilmente sintetizzati a temperatura ambiente utilizzando semplici tecniche, rendendoli molto meno costosi.
“Con il progresso dei dispositivi nanoelettronici, c'è bisogno di fonti energetiche su piccola scala (nano), "ha detto Ajayan. “Con lo sviluppo di fonti di energia su nanoscala, tali requisiti possono essere soddisfatti. Inoltre, la fabbricazione di tali dispositivi completamente funzionali su singoli nanofili potrebbe aiutare la comunità scientifica a sondare ulteriormente e comprendere meglio l'elettrochimica alle interfacce su nanoscala. Il nostro dispositivo qui potrebbe servire come strumento per comprendere questioni importanti come l'autoscarica, correnti di dispersione, e la natura delle resistenze interfacciali dei dispositivi di accumulo di energia su scala nanometrica”.
Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di studiare modi per migliorare ulteriormente le prestazioni del dispositivo a nanofili. Ad esempio, ottimizzando lo spessore dello strato separatore tra i due elettrodi, sperano di ridurre al minimo l'autoscarica che spesso affligge le batterie con separatori sottili, oltre a migliorare la bassa efficienza coulombiana. I ricercatori sperano anche di aumentare la lunghezza dell'elettrodo utilizzando diversi modelli di nanofili, che potrebbe portare ad un aumento della capacità del dispositivo per unità di superficie.
“A questo punto è difficile ipotizzare gli esatti dispositivi che potrebbe essere utilizzato per alimentare, "ha detto Ajayan. “Abbiamo dimostrato il funzionamento di un dispositivo array di nanofili piantato su un'area geometrica di circa 0,5 cm 2 . I dispositivi di questa scala potrebbero essere utilizzati per alimentare diversi dispositivi MEMS. In definitiva, le singole batterie a nanofili potrebbero alimentare ciascuno alcuni dispositivi a semiconduttore a nanofili, per esempio.”
