Imagínese un teléfono inteligente cubierto con una carcasa que no solo sirve para protección sino que también funciona como almacén de electricidad, o un automóvil eléctrico donde las puertas y el chasis almacenan energía para impulsarlo hacia adelante. Es posible que algún día estas tecnologías sean una realidad, gracias al trabajo reciente de ingenieros de la Universidad de California en San Diego.
Los investigadores han desarrollado lo que se llama un supercondensador estructural, un dispositivo que proporciona tanto soporte estructural como capacidades de almacenamiento de energía. Un dispositivo de este tipo podría añadir más potencia a los aparatos electrónicos y a los vehículos sin añadir peso extra, permitiéndoles durar más con una sola carga.
¿Cómo son los supercondensadores?
Si bien el concepto de supercondensadores estructurales no es completamente nuevo, ha sido un desafío de larga trayectoria crear un dispositivo único que sobresalga tanto en soportar cargas mecánicas como en almacenar energía eléctrica de manera eficiente.
Los supercondensadores tradicionales son excelentes para el almacenamiento de energía, pero carecen de la resistencia mecánica para servir como componentes estructurales. Por otro lado, los materiales estructurales pueden brindar soporte, pero no son suficientes en lo que respecta al almacenamiento de energía.
Ahora, un equipo dirigido por Tse Nga (Tina) Ng en colaboración con Xinyu Zhang, ambos profesores de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego, ha logrado lo mejor de ambos mundos en un nuevo supercondensador estructural, como se informó recientemente en Science Advances.
Como prueba de concepto, los investigadores utilizaron su supercondensador estructural para construir un barco en miniatura impulsado por energía solar. El supercondensador se moldeó para formar el casco del barco y luego se le equipó con un pequeño motor y un circuito. El circuito estaba conectado a una célula solar. Cuando se expone a la luz solar, la célula solar carga el supercondensador, que a su vez alimenta el motor del barco. En las pruebas, el barco pudo navegar por el agua, lo que demuestra la eficacia de esta innovadora solución de almacenamiento de energía.
El dispositivo consta de los componentes estándar de un supercondensador: un par de superficies de electrodos separadas por un electrolito, lo que facilita el flujo de iones entre los electrodos.
Lo que distingue a este dispositivo es la combinación de materiales seleccionados para aumentar tanto la resistencia mecánica como el rendimiento electroquímico.
¿Cómo es el supercondensador?
Los electrodos están hechos de fibras de carbono tejidas en una tela. Este tejido de fibra de carbono proporciona una resistencia estructural sustancial. Además, está recubierto con una mezcla especial compuesta de un polímero conductor y óxido de grafeno reducido, lo que mejora significativamente el flujo de iones y la capacidad de almacenamiento de energía.
El electrolito sólido, otro componente crítico, es una mezcla de resina epoxi y un polímero conductor llamado óxido de polietileno. La resina epoxi ofrece soporte estructural, mientras que la incorporación de óxido de polietileno fomenta la movilidad de los iones al crear una red de poros en todo el electrolito.
Una característica clave del diseño aquí es que la concentración de óxido de polietileno varía a lo largo del electrolito, creando lo que se conoce como gradientes de concentración. Las áreas adyacentes a los electrodos presentan una mayor concentración de óxido de polietileno. Esta configuración ayuda a que los iones fluyan más rápido y libremente en la interfaz electrodo-electrolito, lo que aumenta el rendimiento electroquímico.
Sin embargo, una mayor concentración de óxido de polietileno produce más poros, lo que debilita el material. Para lograr un equilibrio, la región central del electrolito está hecha con una concentración más baja de óxido de polietileno, lo que garantiza que pueda proporcionar soporte estructural y al mismo tiempo mantener un flujo eficiente de iones.
«Esta configuración de gradiente es el truco para lograr un rendimiento óptimo en el electrolito», dijo Ng. «En lugar de utilizar una configuración de electrolito único, la estructuramos de modo que los bordes que entran en contacto con los electrodos tengan un mayor rendimiento eléctrico, mientras que el centro es mecánicamente más fuerte».
Si bien esto representa un avance significativo hacia el almacenamiento de energía estructural, los investigadores señalan que todavía queda mucho trabajo por hacer. Los supercondensadores en general tienen una alta densidad de potencia, lo que significa que pueden generar grandes ráfagas de energía rápidamente, pero normalmente tienen una densidad de energía menor en comparación con las baterías.
«Nuestro trabajo futuro se centrará en aumentar la densidad de energía de nuestro supercondensador y hacerlo comparable a algunos paquetes de baterías», dijo la primera autora del estudio, Lulu Yao, Ph.D. en ciencia e ingeniería de materiales. estudiante en el laboratorio de Ng. «El objetivo final sería lograr una mayor densidad de energía y de potencia».
Más información:
Lulu Yao et al, Structural pseudocapacitors with reinforced interfaces to increase multifunctional efficiency, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0069
University of California – San Diego
Citación:
New energy-storing material could also be used to build electronic gadgets (2023, October 5)
retrieved 5 October 2023
from https://techxplore.com/news/2023-10-energy-storing-material-electronic-gadgets.html
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