Filato fatto di nanofili di niobio, visto qui in un'immagine al microscopio elettronico a scansione (sfondo), può essere utilizzato per realizzare supercondensatori molto efficienti, I ricercatori del MIT hanno scoperto. Aggiunta di un rivestimento di un polimero conduttivo al filato (mostrato in rosa, inserto) aumenta ulteriormente la capacità di carica del condensatore. Gli ioni positivi e negativi nel materiale sono rappresentati come sfere blu e rosse.
I dispositivi elettronici indossabili per il monitoraggio della salute e del fitness sono un'area in rapida crescita dell'elettronica di consumo; uno dei loro maggiori limiti è la capacità delle loro minuscole batterie di fornire energia sufficiente per trasmettere i dati. Ora, i ricercatori del MIT e in Canada hanno trovato un nuovo approccio promettente per fornire le brevi ma intense esplosioni di energia necessarie per dispositivi così piccoli.
La chiave è un nuovo approccio alla creazione di supercondensatori, dispositivi in grado di immagazzinare e rilasciare energia elettrica in tali raffiche, necessari per brevi trasmissioni di dati da dispositivi indossabili come cardiofrequenzimetri, computer, o smartphone, dicono i ricercatori. Possono essere utili anche per altre applicazioni in cui è necessaria un'elevata potenza in piccoli volumi, come i microrobot autonomi.
Il nuovo approccio utilizza filati, fatto da nanofili dell'elemento niobio, come gli elettrodi in minuscoli supercondensatori (che sono essenzialmente coppie di fibre elettricamente conduttrici con un isolante in mezzo). Il concetto è descritto in un articolo sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS dal professore di ingegneria meccanica del MIT Ian W. Hunter, studente di dottorato Seyed M. Mirvakili, e altri tre alla University of British Columbia.
I ricercatori di nanotecnologia hanno lavorato per aumentare le prestazioni dei supercondensatori nell'ultimo decennio. Tra i nanomateriali, le nanoparticelle a base di carbonio, come i nanotubi di carbonio e il grafene, hanno mostrato risultati promettenti, ma soffrono di una conduttività elettrica relativamente bassa, dice Mirvakili.
In questo nuovo lavoro, lui e i suoi colleghi hanno dimostrato che le caratteristiche desiderabili per tali dispositivi, come l'elevata densità di potenza, non sono esclusivi delle nanoparticelle a base di carbonio, e che il filato di nanofili di niobio è un'alternativa promettente.
"Immagina di avere una sorta di sistema indossabile per il monitoraggio della salute, "Cacciatore dice, "e ha bisogno di trasmettere dati, ad esempio utilizzando il Wi-Fi, a lunga distanza." Al momento, le batterie a forma di moneta utilizzate in molti piccoli dispositivi elettronici hanno una capacità molto limitata di fornire molta energia contemporaneamente, che è ciò di cui hanno bisogno tali trasmissioni di dati.
Seyed Mirvakili, autore principale dell'articolo che descrive i supercondensatori al niobio, esamina un filo del materiale in laboratorio. Credito:Craig Cheney
"Il Wi-Fi a lunga distanza richiede una discreta quantità di energia, "dice Cacciatore, il George N. Hatsopoulos Professor in Termodinamica nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, "ma potrebbe non essere necessario per molto tempo." Le batterie piccole sono generalmente poco adatte a tali esigenze di alimentazione, Aggiunge.
"Sappiamo che è un problema riscontrato da un certo numero di aziende nel settore del monitoraggio della salute o dell'attività fisica. Quindi un'alternativa è quella di utilizzare una combinazione di una batteria e un condensatore, " Hunter dice:la batteria a lungo termine, funzioni a basso consumo, e il condensatore per brevi raffiche di alta potenza. Tale combinazione dovrebbe essere in grado di aumentare la portata del dispositivo, o, forse più importante nel mercato, per ridurre significativamente i requisiti di dimensione.
Il nuovo supercondensatore basato su nanofili supera le prestazioni delle batterie esistenti, pur occupando un volume molto piccolo. "Se hai un Apple Watch e io rado il 30% di sconto sulla massa, potresti anche non accorgertene, " dice Hunter. "Ma se riduci il volume del 30 percento, sarebbe un grosso problema, " dice:I consumatori sono molto sensibili alle dimensioni dei dispositivi indossabili.
L'innovazione è particolarmente significativa per i piccoli dispositivi, Hunter dice, perché altre tecnologie di accumulo di energia, come le celle a combustibile, batterie, e volani - tendono ad essere meno efficienti, o semplicemente troppo complesse per essere pratiche se ridotte a dimensioni molto ridotte. "Siamo in un punto debole, " lui dice, con una tecnologia in grado di fornire grandi esplosioni di potenza da un dispositivo molto piccolo.
Idealmente, Hunter dice, sarebbe desiderabile avere un'alta densità di potenza volumetrica (la quantità di potenza immagazzinata in un dato volume) e un'alta densità di energia volumetrica (la quantità di energia in un dato volume). "Nessuno ha capito come farlo, "dice. Tuttavia, con il nuovo dispositivo, "Abbiamo una densità di potenza volumetrica piuttosto elevata, densità energetica media, e a basso costo, " una combinazione che potrebbe ben adattarsi a molte applicazioni.
Il niobio è un materiale abbastanza abbondante e ampiamente utilizzato, Mirvakili dice, quindi l'intero sistema dovrebbe essere economico e facile da produrre. "Il costo di fabbricazione è basso, " dice. Altri gruppi hanno realizzato supercondensatori simili usando nanotubi di carbonio o altri materiali, ma i filati di niobio sono più resistenti e 100 volte più conduttivi. Globale, I supercondensatori a base di niobio possono immagazzinare fino a cinque volte più energia in un dato volume rispetto alle versioni con nanotubi di carbonio.
Il niobio ha anche un punto di fusione molto alto, quasi 2, 500 gradi Celsius, quindi i dispositivi realizzati con questi nanofili potrebbero essere potenzialmente adatti per l'uso in applicazioni ad alta temperatura.
Inoltre, il materiale è altamente flessibile e potrebbe essere tessuto in tessuti, abilitare forme indossabili; i singoli nanofili di niobio hanno un diametro di soli 140 nanometri, 140 miliardesimi di metro di diametro, o circa un millesimo della larghezza di un capello umano.
Finora, il materiale è stato prodotto solo in dispositivi su scala di laboratorio. Il prossimo passo, già in corso, è capire come progettare un pratico, versione di facile fabbricazione, dicono i ricercatori.
"Il lavoro è molto significativo nello sviluppo di tessuti intelligenti e future tecnologie indossabili, "dice Geoff Spinks, un professore di ingegneria presso l'Università di Wollongong, in Australia, che non era associato a questa ricerca. Questo articolo, Aggiunge, "dimostra in modo convincente le prestazioni impressionanti dei supercondensatori in fibra a base di niobio".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
