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(noticias nanowerk) Imagine un teléfono inteligente envuelto en una carcasa que no solo sirve como protección sino que también actúa como dispositivo de almacenamiento de energía, o un automóvil eléctrico cuyas puertas y piso almacenan energía para impulsarlo hacia adelante. Gracias al trabajo reciente de ingenieros de la Universidad de California en San Diego, estas tecnologías algún día podrían convertirse en realidad.
Los investigadores han desarrollado el llamado supercondensador estructural, un dispositivo que proporciona tanto soporte estructural como capacidad de almacenamiento de energía. Un dispositivo de este tipo podría dar más potencia a los dispositivos electrónicos y a los vehículos sin añadir peso, permitiéndoles durar más con una sola carga.
Aunque el concepto de supercondensadores estructurales no es del todo nuevo, durante mucho tiempo ha sido un desafío desarrollar un dispositivo único que pueda soportar cargas mecánicas y 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 tener un efecto de apoyo, pero no son suficientes cuando se trata de 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, informa en Avances científicos (“Pseudocondensadores estructurales con interfaces reforzadas para aumentar la eficiencia multifuncional”).
Como prueba de concepto, los investigadores utilizaron su supercondensador estructural para construir un barco en miniatura impulsado por energía solar. Al supercondensador se le dio forma para formar el casco del barco y luego se le equipó con un pequeño motor y circuitos. 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 y demostrar 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 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.
Los electrodos consisten en fibras de carbono tejidas en una tela. Este tejido de fibra de carbono proporciona una resistencia estructural significativa. Además, está recubierto con una mezcla especial 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 importante, es una mezcla de resina epoxi y un polímero conductor llamado óxido de polietileno. La resina epoxi proporciona soporte estructural mientras que la incorporación de óxido de polietileno promueve la movilidad iónica creando una red de poros en todo el electrolito.
Una característica clave del diseño es que la concentración de óxido de polietileno varía en todo el electrolito, creando los llamados gradientes de concentración. Las áreas adyacentes a los electrodos tienen 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 y debilita el material. Para crear equilibrio, el área central del electrolito se trata con una concentración más baja de óxido de polietileno para garantizar que proporcione soporte estructural mientras se mantiene un flujo de iones eficiente.
«Esta configuración de gradiente es el truco para lograr un rendimiento óptimo en el electrolito», dijo Ng. «En lugar de utilizar una única configuración de electrolito, 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».
Aunque esto representa un avance significativo hacia el almacenamiento estructural de energía, los investigadores señalan que todavía queda mucho trabajo por hacer. Los supercondensadores generalmente tienen una alta densidad de potencia, lo que significa que pueden entregar 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 autora principal del estudio, Lulu Yao, doctora en ciencia e ingeniería de materiales. estudiante en el laboratorio de Ng. «El objetivo final sería lograr tanto una mayor densidad de energía como una mayor densidad de potencia».
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