Små ledninger kan give et stort energiboost

Bærbare elektroniske enheder til sundheds- og fitnessovervågning er et hastigt voksende område inden for forbrugerelektronik; en af ​​deres største begrænsninger er kapaciteten af ​​deres små batterier til at levere nok strøm til at overføre data. Nu, forskere ved MIT og i Canada har fundet en lovende ny tilgang til at levere de korte, men intense strømudbrud, der er nødvendige for så små enheder.

Nøglen er en ny tilgang til fremstilling af superkondensatorer - enheder, der kan lagre og frigive elektrisk strøm i sådanne udbrud, som er nødvendige for korte transmissioner af data fra bærbare enheder såsom pulsmålere, computere, eller smartphones, siger forskerne. De kan også være nyttige til andre applikationer, hvor der kræves høj effekt i små mængder, såsom autonome mikrorobotter.

Den nye tilgang bruger garn, lavet af nanotråde af grundstoffet niobium, som elektroderne i bittesmå superkondensatorer (som i det væsentlige er par af elektrisk ledende fibre med en isolator imellem). Konceptet er beskrevet i en artikel i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader af MIT professor i maskinteknik Ian W. Hunter, doktorand Seyed M. Mirvakili, og tre andre ved University of British Columbia.

Nanoteknologiske forskere har arbejdet på at øge ydeevnen af ​​superkondensatorer i det sidste årti. Blandt nanomaterialer, kulstofbaserede nanopartikler - såsom kulstofnanorør og grafen - har vist lovende resultater, men de lider af relativt lav elektrisk ledningsevne, siger Mirvakili.

I dette nye værk, han og hans kolleger har vist, at ønskelige egenskaber for sådanne enheder, såsom høj effekttæthed, er ikke unikke for kulstofbaserede nanopartikler, og at niobium nanotrådsgarn er et lovende alternativ.

"Forestil dig, at du har en slags bærbart sundhedsovervågningssystem, " Hunter siger, "og den skal udsende data, for eksempel ved hjælp af Wi-Fi, over lang afstand." I øjeblikket, de møntstore batterier, der bruges i mange små elektroniske enheder, har meget begrænset evne til at levere en masse strøm på én gang, hvilket er, hvad sådanne datatransmissioner har brug for.

"Wi-Fi over lange afstande kræver en rimelig mængde strøm, " siger Hunter, George N. Hatsopoulos professor i termodynamik ved MIT's Department of Mechanical Engineering, "men det er måske ikke nødvendigt ret længe." Små batterier er generelt dårligt egnede til sådanne strømbehov, tilføjer han.

"Vi ved, at det er et problem, som en række virksomheder oplever inden for sundhedsovervågning eller træningsovervågning. Så et alternativ er at gå til en kombination af et batteri og en kondensator, " Hunter siger:batteriet på lang sigt, laveffekt funktioner, og kondensatoren til korte udbrud af høj effekt. En sådan kombination bør enten kunne øge enhedens rækkevidde, eller - måske vigtigere på markedet - at reducere størrelseskravene markant.

Den nye nanotråd-baserede superkondensator overgår ydeevnen af ​​eksisterende batterier, mens den optager en meget lille volumen. "Hvis du har et Apple Watch og jeg barberer 30 procent af massen, du bemærker måske ikke engang, Hunter siger. "Men hvis du reducerer lydstyrken med 30 procent, det ville være en stor sag, " siger han:Forbrugerne er meget følsomme over for størrelsen af ​​bærbare enheder.

Innovationen er især vigtig for små enheder, Hunter siger, fordi andre energilagringsteknologier – såsom brændselsceller, batterier, og svinghjul - har tendens til at være mindre effektive, eller simpelthen for kompleks til at være praktisk, når den reduceres til meget små størrelser. "Vi er i et sødt sted, " han siger, med en teknologi, der kan levere store strømudbrud fra en meget lille enhed.

Ideelt set Hunter siger, det ville være ønskeligt at have en høj volumetrisk effekttæthed (mængden af ​​energi lagret i et givet volumen) og høj volumetrisk energitæthed (mængden af ​​energi i et givet volumen). "Ingen har fundet ud af, hvordan man gør det, " siger han. Men med den nye enhed, "Vi har en ret høj volumetrisk effekttæthed, medium energitæthed, og en lav pris, "en kombination, der kunne være velegnet til mange applikationer.

Niobium er et ret rigeligt og meget brugt materiale, Mirvakili siger, så hele systemet skal være billigt og nemt at producere. "Fabrikationsomkostningerne er billige, " siger han. Andre grupper har lavet lignende superkondensatorer ved hjælp af kulstof nanorør eller andre materialer, men niobiumgarnene er stærkere og 100 gange mere ledende. Samlet set, niobium-baserede superkondensatorer kan lagre op til fem gange så meget strøm i en given volumen som kulstof nanorør versioner.

Niobium har også et meget højt smeltepunkt - næsten 2, 500 grader Celsius - så enheder lavet af disse nanotråde kunne potentielt være egnede til brug i højtemperaturapplikationer.

Ud over, materialet er meget fleksibelt og kan væves ind i stoffer, muliggør bærbare former; individuelle niobium nanotråde er kun 140 nanometer i diameter - 140 milliardtedele af en meter på tværs, eller omkring en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår.

Indtil nu, materialet er kun fremstillet i apparater i laboratorieskala. Det næste skridt, allerede i gang, er at finde ud af, hvordan man designer en praktisk, let fremstillet version, siger forskerne.

"Arbejdet er meget vigtigt i udviklingen af ​​smarte stoffer og fremtidige bærbare teknologier, " siger Geoff Spinks, professor i ingeniørvidenskab ved University of Wollongong, i Australien, som ikke var tilknyttet denne forskning. Dette papir, tilføjer han, "demonstrerer overbevisende den imponerende ydeevne af niobium-baserede fiber superkondensatorer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.