Pequeños cables podrían proporcionar un gran impulso de energía

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Los dispositivos electrónicos portátiles para el seguimiento de la salud y el estado físico son un área de la electrónica de consumo en rápido crecimiento; Una de sus mayores limitaciones es la capacidad de sus pequeñas baterías para entregar suficiente energía para transmitir datos. Ahora, investigadores del MIT y de Canadá han encontrado un nuevo enfoque prometedor para suministrar las breves pero intensas ráfagas de energía que necesitan dispositivos tan pequeños.

La clave es un nuevo enfoque para fabricar supercondensadores: dispositivos que pueden almacenar y liberar energía eléctrica en ráfagas, que son necesarias para transmisiones breves de datos desde dispositivos portátiles como monitores de frecuencia cardíaca, computadoras o teléfonos inteligentes, dicen los investigadores. También pueden resultar útiles para otras aplicaciones en las que se necesita alta potencia en pequeños volúmenes, como los microrobots autónomos.

El nuevo enfoque utiliza hilos, hechos de nanocables del elemento niobio, como electrodos en pequeños supercondensadores (que son esencialmente pares de fibras conductoras de electricidad con un aislante entre ellas). El concepto se describe en un artículo publicado en la revista ACS Applied Materials and Interfaces por el profesor de ingeniería mecánica del MIT Ian W. Hunter, el estudiante de doctorado Seyed M. Mirvakili y otras tres personas de la Universidad de Columbia Británica.

Los investigadores de nanotecnología han estado trabajando para aumentar el rendimiento de los supercondensadores durante la última década. Entre los nanomateriales, las nanopartículas basadas en carbono, como los nanotubos de carbono y el grafeno, han mostrado resultados prometedores, pero adolecen de una conductividad eléctrica relativamente baja, dice Mirvakili.

En este nuevo trabajo, él y sus colegas han demostrado que las características deseables para tales dispositivos, como una alta densidad de potencia, no son exclusivas de las nanopartículas a base de carbono, y que el hilo de nanocables de niobio es una alternativa prometedora.

"Imagínese que tiene algún tipo de sistema portátil de monitoreo de la salud", dice Hunter, "y necesita transmitir datos, por ejemplo mediante Wi-Fi, a larga distancia". Por el momento, las baterías del tamaño de una moneda utilizadas en muchos dispositivos electrónicos pequeños tienen una capacidad muy limitada para entregar mucha energía a la vez, que es lo que necesitan dichas transmisiones de datos.

"El Wi-Fi de larga distancia requiere una cantidad considerable de energía", dice Hunter, profesor de Termodinámica George N. Hatsopoulos en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, "pero puede que no sea necesario por mucho tiempo". Las baterías pequeñas generalmente no son adecuadas para tales necesidades de energía, añade.

“Sabemos que es un problema que experimentan varias empresas en el ámbito del seguimiento de la salud o del ejercicio. Entonces, una alternativa es optar por una combinación de batería y capacitor”, dice Hunter: la batería para funciones de bajo consumo y a largo plazo, y el capacitor para ráfagas cortas de alta potencia. Esta combinación debería poder aumentar el alcance del dispositivo o, quizás lo más importante en el mercado, reducir significativamente los requisitos de tamaño.

El nuevo supercondensador basado en nanocables supera el rendimiento de las baterías existentes y ocupa un volumen muy pequeño. "Si tienes un Apple Watch y le afeito un 30 por ciento del peso, es posible que ni siquiera te des cuenta", dice Hunter. "Pero si se reduce el volumen en un 30 por ciento, eso sería un gran problema", afirma: Los consumidores son muy sensibles al tamaño de los dispositivos portátiles.

La innovación es especialmente significativa para los dispositivos pequeños, afirma Hunter, porque otras tecnologías de almacenamiento de energía (como las pilas de combustible, las baterías y los volantes) tienden a ser menos eficientes o simplemente demasiado complejas para ser prácticas cuando se reducen a tamaños muy pequeños. "Estamos en un punto óptimo", afirma, con una tecnología que puede ofrecer grandes ráfagas de energía desde un dispositivo muy pequeño.

Idealmente, dice Hunter, sería deseable tener una alta densidad de potencia volumétrica (la cantidad de energía almacenada en un volumen determinado) y una alta densidad de energía volumétrica (la cantidad de energía en un volumen determinado). "Nadie ha descubierto cómo hacer eso", dice. Sin embargo, con el nuevo dispositivo, “tenemos una densidad de potencia volumétrica bastante alta, una densidad de energía media y un coste bajo”, una combinación que podría ser adecuada para muchas aplicaciones.

El niobio es un material bastante abundante y ampliamente utilizado, afirma Mirvakili, por lo que todo el sistema debería ser económico y fácil de producir. "El coste de fabricación es barato", afirma. Otros grupos han fabricado supercondensadores similares utilizando nanotubos de carbono u otros materiales, pero los hilos de niobio son más fuertes y 100 veces más conductores. En general, los supercondensadores basados ​​en niobio pueden almacenar hasta cinco veces más energía en un volumen determinado que las versiones de nanotubos de carbono.

El niobio también tiene un punto de fusión muy alto (casi 2.500 grados Celsius), por lo que los dispositivos fabricados con estos nanocables podrían ser potencialmente adecuados para su uso en aplicaciones de alta temperatura.

Además, el material es muy flexible y podría tejerse en telas, permitiendo formas ponibles; Los nanocables de niobio individuales tienen sólo 140 nanómetros de diámetro: 140 milmillonésimas de metro de ancho, o aproximadamente una milésima parte del ancho de un cabello humano.

Hasta ahora, el material se ha producido sólo en dispositivos a escala de laboratorio. El siguiente paso, que ya está en marcha, es descubrir cómo diseñar una versión práctica y fácil de fabricar, afirman los investigadores.

"El trabajo es muy significativo en el desarrollo de tejidos inteligentes y futuras tecnologías portátiles", afirma Geoff Spinks, profesor de ingeniería de la Universidad de Wollongong, en Australia, que no participó en esta investigación. Este artículo, añade, "demuestra de manera convincente el impresionante rendimiento de los supercondensadores de fibra a base de niobio".

El equipo también incluyó al estudiante de doctorado Mehr Negar Mirvakili y a los profesores Peter Englezos y John Madden, todos de la Universidad de Columbia Británica.

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