Gli scienziati hanno compiuto un grande passo avanti verso la realizzazione di un dispositivo di accumulo di energia simile alla fibra che può essere tessuto in indumenti e monitor medici indossabili elettrici, apparecchiature di comunicazione o altri piccoli dispositivi elettronici.

Il dispositivo è un supercondensatore, un cugino della batteria. Questo racchiude una rete interconnessa di grafene e nanotubi di carbonio così strettamente da immagazzinare energia paragonabile ad alcune batterie al litio a film sottile, un'area in cui le batterie hanno tradizionalmente avuto un grande vantaggio.

Gli sviluppatori del prodotto, ingegneri e scienziati della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore, Università Tsinghua in Cina, e Case Western Reserve University negli Stati Uniti, ritengono che la capacità di stoccaggio in volume (chiamata densità di energia volumetrica) sia la più alta riportata fino ad oggi per i supercondensatori su microscala a base di carbonio:6,3 microwattora per millimetro cubo.

Il dispositivo mantiene anche il vantaggio di caricare e rilasciare energia molto più velocemente di una batteria. I materiali ibridi strutturati in fibra offrono enormi superfici accessibili e sono altamente conduttivi.

I ricercatori hanno sviluppato un modo per produrre continuamente la fibra flessibile, consentendo loro di aumentare la produzione per una varietà di usi. Ad oggi, hanno fatto fibre lunghe 50 metri, e non vedo limiti di lunghezza.

Immaginano che il supercondensatore in fibra possa essere intrecciato negli indumenti per alimentare dispositivi medici per le persone a casa, o dispositivi di comunicazione per i soldati sul campo. O, dicono, la fibra potrebbe essere una fonte di energia salvaspazio e fungere da "fili che trasportano energia" negli impianti medici.

Yuan Chen, un professore di ingegneria chimica alla NTU ha guidato il nuovo studio, lavorando con Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei e Wenchao Jiang alla NTU; Qiang Zhang a Tsinghua; e Liming Dai alla Case Western Reserve. Gli scienziati riferiscono la loro ricerca in Nanotecnologia della natura .

Dai, un professore di scienze e ingegneria macromolecolare presso la Case Western Reserve e coautore dell'articolo, ha spiegato che la maggior parte dei supercondensatori ha un'elevata densità di potenza ma una bassa densità di energia, il che significa che possono caricare rapidamente e dare una spinta di potenza, ma dura poco. Al contrario, le batterie hanno un'alta densità di energia e una bassa densità di potenza, il che significa che possono durare a lungo, ma non fornire una grande quantità di energia rapidamente.

La microelettronica per i veicoli elettrici può trarre vantaggio da dispositivi di accumulo di energia che offrono alta potenza e alta densità di energia. Ecco perché i ricercatori stanno lavorando per sviluppare un dispositivo che offra entrambe le cose.

Per continuare a miniaturizzare l'elettronica, l'industria ha bisogno di piccoli dispositivi di accumulo di energia con grandi densità di energia volumetrica.

Per massa, i supercondensatori potrebbero avere un accumulo di energia comparabile, o densità di energia, alle batterie. Ma poiché richiedono grandi quantità di superficie accessibile per immagazzinare energia, sono sempre rimasti molto indietro nella densità di energia in volume.

Il loro approccio

Per migliorare la densità di energia in volume, i ricercatori hanno progettato una fibra ibrida.

Una soluzione contenente nanotubi a parete singola ossidati con acido, ossido di grafene ed etilendiammina, che promuove la sintesi e droga il grafene con l'azoto, viene pompato attraverso un tubo flessibile stretto e rinforzato chiamato colonna capillare e riscaldato in un forno per sei ore.

Fogli di grafene, da uno a pochi atomi di spessore, e allineato, i nanotubi di carbonio a parete singola si autoassemblano in una rete prorosa interconnessa che percorre la lunghezza della fibra.

La disposizione prevede enormi quantità di superficie accessibile—396 metri quadrati per grammo di fibra ibrida—per il trasporto e lo stoccaggio delle cariche.

Ma i materiali sono strettamente impacchettati nella colonna capillare e rimangono tali mentre vengono pompati fuori, con conseguente elevata densità di energia volumetrica.

Il processo che utilizza più colonne capillari consentirà agli ingegneri di produrre fibre in modo continuo e mantenere una qualità costante, disse Chen.

Le scoperte

I ricercatori hanno realizzato fibre lunghe fino a 50 metri e hanno scoperto che rimangono flessibili con un'elevata capacità di 300 Farad per centimetro cubo.

Nella prova, hanno scoperto che tre coppie di fibre disposte in serie hanno triplicato la tensione mantenendo invariato il tempo di carica/scarica.

Tre coppie di fibre in parallelo hanno triplicato la corrente di uscita e triplicato il tempo di carica/scarica, rispetto a una singola fibra operata alla stessa densità di corrente.

Quando integrano più coppie di fibre tra due elettrodi, la capacità di immagazzinare elettricità, chiamata capacità, aumenta linearmente a seconda del numero di fibre utilizzate.

Utilizzando un gel di alcol polivinilico/acido fosforico come elettrolita, un micro-supercondensatore allo stato solido costituito da una coppia di fibre offriva una densità volumetrica di 6,3 microwattora per millimetro cubo, che è paragonabile a quello di una batteria al litio a film sottile da 4 volt-500 microampere-ora.

Il supercondensatore in fibra ha dimostrato un valore di densità di energia ultraelevata, mantenendo l'elevata densità di potenza e la stabilità del ciclo.

"Abbiamo testato il dispositivo in fibra per 10, 000 cicli di carica/scarica, e il dispositivo mantiene circa il 93 percento delle sue prestazioni originali, "Yu ha detto, "mentre le batterie ricaricabili convenzionali hanno una durata inferiore a 1000 cicli."

Il team ha anche testato il dispositivo per lo stoccaggio flessibile dell'energia. Il dispositivo è stato sottoposto a sollecitazioni meccaniche costanti e ne sono state valutate le prestazioni. "Il supercondensatore in fibra continua a funzionare senza perdita di prestazioni, anche dopo aver piegato centinaia di volte, " disse Yu.

"Poiché rimangono flessibili e strutturalmente coerenti per tutta la loro lunghezza, le fibre possono anche essere tessute in un motivo incrociato in abbigliamento per dispositivi indossabili in tessuti intelligenti", ha detto Chen.

Tali indumenti potrebbero alimentare i dispositivi di monitoraggio biomedico che un paziente indossa a casa, fornire informazioni a un medico in un ospedale, Dai ha detto. Tessuto in uniformi, i supercondensatori a batteria potrebbero alimentare display o transistor utilizzati per la comunicazione.

I ricercatori stanno ora espandendo i loro sforzi. Hanno in programma di ampliare la tecnologia a basso costo, produzione in serie delle fibre finalizzata alla commercializzazione di micro-supercondensatori ad alte prestazioni.

Inoltre, "Il team è anche interessato a testare queste fibre per applicazioni multifunzionali, comprese le batterie, celle solari, celle a biocombustibile, e sensori per sistemi optoelettronici flessibili e indossabili, "Dai ha detto. "Così, abbiamo aperto molte possibilità e abbiamo ancora molto da fare".