Materialul care stochează energia ce ar putea fi folosit în vehiculele și electronicele viitorului

Imaginați-vă un smartphone acoperit cu o carcasă care nu este doar pentru protecție, ci funcționează și ca un rezervor de electricitate, sau o mașină electrică la care ușile și podeaua stochează energie pentru a o propulsa. Astfel de tehnologii ar putea fi într-o zi o realitate, datorită lucrărilor recente la materialul care stochează energia ale inginerilor de la Universitatea din California, San Diego (SUA).

Cercetătorii au dezvoltat ceea ce se numește un supercondensator structural, un dispozitiv care oferă atât suport structural, cât și capabilități de stocare a energiei. Un astfel de dispozitiv le-ar putea adăuga mai multă putere gadgeturilor și vehiculelor fără a adăuga greutate suplimentară, permițându-le să reziste mai mult cu o singură încărcare.

Deși conceptul pentru materialul care stochează energia nu este complet nou, crearea unui singur dispozitiv care excelează atât la suportarea sarcinilor mecanice, cât și la stocarea eficientă a energiei electrice a fost o provocare de lungă durată.

Supercondensatorii tradiționali sunt excelenți la stocarea energiei, dar nu au rezistența mecanică pentru a servi drept componente structurale. Pe de altă parte, materialele structurale pot oferi susținere, dar sunt insuficiente atunci când vine vorba de stocarea energiei, scrie Tech Xplore.

Iată materialul care stochează energia ce ar putea fi folosit în vehiculele și electronicele viitorului

Acum, o echipă condusă de Tse Nga (Tina) Ng în colaborare cu Xinyu Zhang, ambii profesori de inginerie electrică și informatică la UC San Diego, a obținut ce este mai bun din ambele lumi într-un nou supercondensator structural, descris recent în Science Advances.

Ca o demonstrație a conceptului, cercetătorii și-au folosit supercondensatorul structural pentru a construi o barcă miniaturală alimentată cu energie solară. Supercondensatorul a fost turnat pentru a forma corpul bărcii și apoi a fost echipat cu un mic motor și cu un circuit.

Circuitul a fost conectat la o celulă solară. Când este expusă la lumina soarelui, celula solară încarcă supercondensatorul, care, la rândul său, alimentează motorul bărcii. În teste, barca a reușit să se deplaseze pe apă, demonstrând eficacitatea acestei soluții inovatoare de stocare a energiei.

Cum a fost realizat materialul?

Dispozitivul constă din componente standard pentru supercondensatori: o pereche de suprafețe de electrozi separate de un electrolit, care facilitează fluxul de ioni între electrozi. Ceea ce diferențiază acest dispozitiv de altele este combinația de materiale selectate pentru a crește atât rezistența mecanică, cât și performanța electrochimică.

Electrozii sunt fabricați din fibre de carbon țesute. Această țesătură din fibră de carbon oferă o rezistență structurală substanțială. Mai mult, materialul care stochează energia este acoperit cu un amestec special compus dintr-un polimer conductor și oxid de grafen redus, care îmbunătățește semnificativ fluxul de ioni și capacitatea de stocare a energiei.

Electrolitul solid, o altă componentă critică, este un amestec de rășină epoxidică și un polimer conductor numit oxid de polietilenă. Rășina epoxidică oferă suport structural, în timp ce încorporarea oxidului de polietilenă favorizează mobilitatea ionilor prin crearea unei rețele de pori în întregul electrolit.

O caracteristică cheie de proiectare este că concentrația de oxid de polietilenă variază de-a lungul electrolitului, creând ceea ce sunt cunoscuți sub numele de gradienți de concentrație. Zonele adiacente electrozilor prezintă o concentrație mai mare de oxid de polietilenă. Această configurație ajută ionii să curgă mai rapid și mai liber la interfața electrod-electrolit, sporind performanța electrochimică.

Proiectat special pentru a obține un echilibru între energie și rezistență

Cu toate acestea, o concentrație mai mare de oxid de polietilenă are ca rezultat mai mulți pori, slăbind materialul. Pentru a atinge un echilibru, regiunea centrală a electrolitului este realizată cu o concentrație mai mică de oxid de polietilenă, asigurându-se că poate oferi suport structural menținând în același timp un flux eficient de ioni.

„Această configurație de gradient este trucul pentru a obține o performanță optimă în electrolit. În loc să folosim o singură configurație de electrolit, am structurat-o astfel încât marginile care intră în contact cu electrozii să aibă performanțe electrice mai mari, în timp ce mijlocul este mai puternic din punct de vedere mecanic”, a spus Ng.

Un progres semnificativ în ceea ce privește stocarea energiei

Deși acesta reprezintă un progres semnificativ în ceea ce privește stocarea structurală a energiei, cercetătorii observă că mai este mult de făcut. Supercondensatorii au, în general, o densitate mare de putere, ceea ce înseamnă că pot furniza rapid cantități mari de energie, dar de obicei au o densitate de energie mai mică în comparație cu bateriile.

„Lucrările noastre viitoare se vor concentra pe creșterea densității energetice a supercondensatorului nostru și pe a-l face comparabil cu unele baterii. Scopul final va fi acela de a obține atât o densitate mai mare de energie, cât și o densitate mare de putere”, a spus Lulu Yao.

Vă recomandăm să citiți și:

A fost creat mușchiul artificial pentru studiul distrofiei musculare Duchenne

O tehnologie revoluționară a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie 2023

TeslaBot, robotul umanoid de la Tesla, face yoga și arată cât de mult a progresat

A fost creată Inteligența Artificială care identifică viața extraterestră cu o precizie de 90%