Носимая электроника: сверхтонкие провода обеспечат большой рост энергии

Источник: Массачусетский технологический институт (МТИ)

Как обнаружили исследователи из МТИ, волокна, сделанные из ниобиевых нанопроводов, которые видны на изображении, полученны с помощью электронного микроскопа (фоновое изображение) и могут быть использованы для изготовления весьма эффективных суперконденсаторов. Покрытие волокон проводящим полимером (как показано розовым цветом на рис.) еще больше увеличивает зарядовую емкость конденсатора. Положительные и отрицательные ионы в материале представлены в виде белых и голубых шариков.

Носимые электронные устройства для мониторинга состояния здоровья становятся быстрорастущим рынком потребительской электроники; одним из наиболее существенных препятствий на пути его роста является емкость используемых в таких устройствах крошечных батареек, которые должны обладать достаточно большой мощностью для обеспечения передачи данных.

В настоящее время исследователи в МТИ и в Канаде нашли новый перспективный подход к генерации коротких, но интенсивных импульсов мощности для питания этих небольших приборов.
Ключом к решению проблемы оказалась новая методика в изготовлении суперконденсаторов — электронных компонентов, которые могут накапливать и отдавать электрическую мощность в виде коротких импульсов, необходимых для передачи данных короткими посылками с носимых устройств, таких как мониторы частоты пульсации сердца, компьютеры или смартфоны. Они также могут быть использованы и для других целей, когда требуется питание короткими мощными импульсами — например, в автономных микророботах.

В новом конструктивном исполнении суперконденсатора используются волокна в виде нанопроводов, изготовленных из редкоземельного материала ниобия, которые в крошечных суперконденсаторах применяются в качестве электродов (обычно это пара электропроводящих волокон, разделенных изолятором). Идея изложена в статье, опубликованной в журнале “ACS Applied Materials and Interfaces”. Авторами являются профессор механической инженерии Йен У. Хантер (Ian W. Hunter) из МТИ, докторант Сайед М. Мирвакили и еще трое исследователей из университета Британской Колумбии.

Исследователи в сфере нанотехнологий работают над улучшением характеристик суперконденсаторов в течение последнего десятилетия. Среди наноматериалов наночастицы на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки и графен, показавшие положительные результаты в ходе исследований, имеют реальные перспективы практического применения, но, по словам Мирвакили, у них есть существенный недостаток — относительно малая электропроводность.

В своей новой работе он и его коллеги показали, что характеристиками, необходимыми для таких приборов, подобно высокой плотности мощности, обладают не только наночастицы на основе углерода, но и волокна из ниобиевых нанопроводов, которые являются перспективной альтернативой.

По своим характеристикам новый суперконденсатор на основе нанопроводов значительно лучше существующих батареек при заметно меньших габаритах.

Особенно большое значение новшество имеет для небольших устройств, поскольку другие технологии накопления энергии, например топливные ячейки, аккумуляторы или маховики, менее эффективны или просто слишком сложны для практического применения при попытках сделать их малогабаритными.

В идеале, желательно иметь большую объемную плотность мощности (количество мощности, запасенное в данном объеме).

Но никто не смог предложить, как достичь этой цели. Сейчас исследователи получили весьма объемную плотность мощности, среднюю плотность энергии и низкую стоимость. Такая комбинация может найти применение во многих областях.

Ниобий имеет очень высокую температуру плавления – около 2500 °С. Так что компоненты, в которых они используются, пригодны для эксплуатации при высоких температурах.

Кроме того, данный материал очень гибок, и из него можно ткать изделия разной формы, необходимой для изготовления носимых электронных устройств. Индивидуальные ниобиевые нанопровода имеют диаметр всего 140 нм, или около одной тысячной толщины человеческого волоса.

До настоящего времени этот материал использовался только в лабораторных устройствах. В настоящее время исследователи решают проблему, как практически разработать легко воспроизводимую версию.