Piccoli fili potrebbero fornire una grande spinta energetica

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I dispositivi elettronici indossabili per il monitoraggio della salute e del fitness rappresentano 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 dati. Ora, i ricercatori del MIT e del Canada hanno trovato un nuovo approccio promettente per fornire le brevi ma intense esplosioni di energia necessarie a dispositivi così piccoli.

La chiave è un nuovo approccio per realizzare supercondensatori, dispositivi in ​​grado di immagazzinare e rilasciare energia elettrica in tali impulsi, necessari per brevi trasmissioni di dati da dispositivi indossabili come cardiofrequenzimetri, computer o smartphone, dicono i ricercatori. Potrebbero essere utili anche per altre applicazioni in cui è necessaria elevata potenza in piccoli volumi, come i microrobot autonomi.

Il nuovo approccio utilizza filati, costituiti da nanofili dell’elemento niobio, come 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 ACS Applied Materials and Interfaces dal professore di ingegneria meccanica del MIT Ian W. Hunter, dallo studente di dottorato Seyed M. Mirvakili e da altri tre presso l'Università della British Columbia.

I ricercatori nel campo delle nanotecnologie hanno lavorato per aumentare le prestazioni dei supercondensatori negli ultimi dieci anni. 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, afferma 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 esclusive delle nanoparticelle a base di carbonio e che il filato di nanofili di niobio rappresenta un’alternativa promettente.

"Immagina di avere una sorta di sistema indossabile di monitoraggio della salute", afferma Hunter, "e che debba trasmettere dati, ad esempio utilizzando il Wi-Fi, su una lunga distanza". Al momento, le batterie a bottone 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.

"Il Wi-Fi a lunga distanza richiede una discreta quantità di energia", afferma Hunter, professore di termodinamica presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, George N. Hatsopoulos, "ma potrebbe non essere necessario per molto tempo". Le batterie di piccole dimensioni sono generalmente poco adatte a tali esigenze energetiche, aggiunge.

“Sappiamo che si tratta di un problema riscontrato da numerose aziende nel campo del monitoraggio della salute o dell'attività fisica. Quindi un’alternativa è quella di optare per una combinazione di batteria e condensatore”, afferma Hunter: la batteria per funzioni a lungo termine e a basso consumo e il condensatore per brevi raffiche di alta potenza. Una tale combinazione dovrebbe essere in grado di aumentare la portata del dispositivo o, cosa forse più importante sul mercato, di ridurre significativamente le dimensioni richieste.

Il nuovo supercondensatore basato su nanofili supera le prestazioni delle batterie esistenti, pur occupando un volume molto ridotto. "Se hai un Apple Watch e io riduco il 30% della massa, potresti non notarlo nemmeno", afferma Hunter. "Ma se si riducesse il volume del 30%, sarebbe un grosso problema", afferma: I consumatori sono molto sensibili alle dimensioni dei dispositivi indossabili.

L’innovazione è particolarmente significativa per i dispositivi di piccole dimensioni, afferma Hunter, perché altre tecnologie di stoccaggio dell’energia – come celle a combustibile, batterie e volani – tendono ad essere meno efficienti o semplicemente troppo complesse per essere pratiche se ridotte a dimensioni molto piccole. "Siamo a buon punto", afferma, con una tecnologia in grado di fornire grandi esplosioni di potenza da un dispositivo molto piccolo.