p Os cientistas deram um grande passo para fazer um dispositivo de armazenamento de energia semelhante a fibra que pode ser tecido em roupas e monitores médicos portáteis de energia, equipamentos de comunicação ou outros eletrônicos pequenos. p O dispositivo é um supercapacitor - um primo da bateria. Este reúne uma rede interconectada de nanotubos de grafeno e carbono tão firmemente que armazena energia comparável a algumas baterias de lítio de película fina - uma área onde as baterias tradicionalmente têm uma grande vantagem.

p Os desenvolvedores do produto, engenheiros e cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) em Cingapura, Universidade Tsinghua na China, e a Case Western Reserve University nos Estados Unidos, acreditam que a capacidade de armazenamento por volume (chamada densidade de energia volumétrica) é a mais alta relatada para supercapacitores em microescala baseados em carbono até hoje:6,3 microwatt-hora por milímetro cúbico.

p O dispositivo também mantém a vantagem de carregar e liberar energia muito mais rápido do que uma bateria. Os materiais híbridos estruturados em fibra oferecem grandes áreas de superfície acessíveis e são altamente condutores.

p Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de produzir continuamente a fibra flexível, permitindo que aumentem a produção para uma variedade de usos. A data, eles fizeram fibras de 50 metros de comprimento, e não vejo limites de comprimento.

p Eles imaginam que o supercapacitor de fibra poderia ser tecido em roupas para alimentar dispositivos médicos para as pessoas em casa, ou dispositivos de comunicação para soldados em campo. Ou, eles dizem, a fibra pode ser uma fonte de energia que economiza espaço e servir como "fios condutores de energia" em implantes médicos.

p Yuan Chen, um professor de engenharia química da NTU conduziu o novo estudo, trabalhando com Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei e Wenchao Jiang da NTU; Qiang Zhang em Tsinghua; e Liming Dai na Case Western Reserve. Os cientistas relatam suas pesquisas em Nature Nanotechnology .

p Dai, professor de ciência macromolecular e engenharia da Case Western Reserve e co-autor do artigo, explicou que a maioria dos supercapacitores tem alta densidade de energia, mas baixa densidade de energia, o que significa que eles podem carregar rapidamente e aumentar a potência, mas não dura muito. Por outro lado, baterias têm alta densidade de energia e baixa densidade de energia, o que significa que podem durar muito tempo, mas não forneça uma grande quantidade de energia rapidamente.

p Microeletrônica para veículos elétricos pode se beneficiar de dispositivos de armazenamento de energia que oferecem alta potência e alta densidade de energia. É por isso que os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver um dispositivo que ofereça as duas coisas.

p Para continuar a miniaturizar a eletrônica, a indústria precisa de pequenos dispositivos de armazenamento de energia com grandes densidades volumétricas de energia.

p Em massa, supercapacitores podem ter armazenamento de energia comparável, ou densidade de energia, às baterias. Mas porque eles requerem grandes quantidades de área de superfície acessível para armazenar energia, eles sempre ficaram muito defasados ​​em densidade de energia por volume.

p A abordagem deles

p Para melhorar a densidade de energia por volume, os pesquisadores desenvolveram uma fibra híbrida.

p Uma solução contendo nanotubos de parede única oxidados por ácido, óxido de grafeno e etilenodiamina, que promove a síntese e dopes o grafeno com nitrogênio, é bombeado através de um tubo flexível estreito reforçado denominado coluna capilar e aquecido em um forno por seis horas.

p Folhas de grafeno, um a alguns átomos de espessura, e alinhado, nanotubos de carbono de parede única se montam em uma rede proeminente interconectada que percorre toda a extensão da fibra.

p O arranjo fornece grandes quantidades de área de superfície acessível - 396 metros quadrados por grama de fibra híbrida - para o transporte e armazenamento de cargas.

p Mas os materiais são embalados firmemente na coluna capilar e permanecem assim enquanto são bombeados para fora, resultando na alta densidade de energia volumétrica.

p O processo usando várias colunas capilares permitirá que os engenheiros façam fibras continuamente e mantenham uma qualidade consistente, Chen disse.

p as evidências

p Os pesquisadores fizeram fibras de até 50 metros e descobriram que elas permanecem flexíveis com alta capacidade de 300 Farad por centímetro cúbico.

p Em teste, eles descobriram que três pares de fibras dispostas em série triplicaram a voltagem, mantendo o mesmo tempo de carga / descarga.

p Três pares de fibras em paralelo triplicaram a corrente de saída e triplicaram o tempo de carga / descarga, em comparação com uma única fibra operada na mesma densidade de corrente.

p Quando eles integram vários pares de fibras entre dois eletrodos, a capacidade de armazenar eletricidade, chamada capacitância, aumentou linearmente de acordo com o número de fibras utilizadas.

p Usando um gel de álcool polivinílico / ácido fosfórico como eletrólito, um microssupercapacitor de estado sólido feito de um par de fibras ofereceu uma densidade volumétrica de 6,3 microwatt-hora por milímetro cúbico, que é comparável ao de uma bateria de lítio de filme fino de 4 volts-500 microampere-hora.

p O supercapacitor de fibra demonstrou valor de densidade de energia ultra-alto, enquanto mantém a alta densidade de potência e estabilidade do ciclo.

p "Testamos o dispositivo de fibra por 10, 000 ciclos de carga / descarga, e o dispositivo retém cerca de 93 por cento de seu desempenho original, "Yu disse, "enquanto as baterias recarregáveis ​​convencionais têm uma vida útil de menos de 1000 ciclos."

p A equipe também testou o dispositivo para armazenamento flexível de energia. O dispositivo foi submetido a constantes esforços mecânicos e seu desempenho foi avaliado. "O supercapacitor de fibra continua a funcionar sem perda de desempenho, mesmo depois de dobrar centenas de vezes, "Yu disse.

p "Porque eles permanecem flexíveis e estruturalmente consistentes ao longo de seu comprimento, as fibras também podem ser tecidas em um padrão cruzado em roupas para dispositivos vestíveis em têxteis inteligentes ", disse Chen.

p Essas roupas podem alimentar dispositivos de monitoramento biomédico que um paciente usa em casa, fornecer informações a um médico em um hospital, Disse Dai. Tecidos em uniformes, os supercapacitores semelhantes a bateria podem alimentar monitores ou transistores usados ​​para comunicação.

p Os pesquisadores agora estão expandindo seus esforços. Eles planejam expandir a tecnologia para baixo custo, mass production of the fibers aimed at commercializing high-performance micro-supercapacitors.

p Além disso, "The team is also interested in testing these fibers for multifunctional applications, including batteries, células solares, biofuel cells, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."