Os supercapacitores prometem recarga de telefones e outros dispositivos em segundos e minutos, em vez de horas para baterias. Mas as tecnologias atuais geralmente não são flexíveis, têm capacidades insuficientes, e, para muitos, seu desempenho diminui rapidamente com os ciclos de carregamento.

Pesquisadores da Queen Mary University of London (QMUL) e da University of Cambridge descobriram uma maneira de melhorar todos os três problemas de uma só vez.

Seu eletrodo de polímero prototipado, que se assemelha a uma bengala de doce geralmente pendurada em uma árvore de Natal, atinge o armazenamento de energia perto do limite teórico, mas também demonstra flexibilidade e resiliência para ciclos de carga / descarga.

A técnica pode ser aplicada a muitos tipos de materiais para supercapacitores e permitir o carregamento rápido de telefones celulares, roupas inteligentes e dispositivos implantáveis.

A pesquisa foi publicada em Cartas de energia ACS .

A solução

A pseudocapacitância é uma propriedade dos supercapacitores de polímero e composto que permite que os íons entrem no material e, assim, empacotem muito mais carga do que os de carbono, que armazenam principalmente a carga como íons concentrados (na chamada camada dupla) perto da superfície.

O problema com supercapacitores de polímero, Contudo, é que os íons necessários para essas reações químicas só podem acessar os poucos nanômetros superiores abaixo da superfície do material, deixando o resto do eletrodo como peso morto. O crescimento de polímeros como nanoestruturas é uma maneira de aumentar a quantidade de material acessível perto da superfície, mas isso pode ser caro, difícil de escalar, e freqüentemente resulta em estabilidade mecânica deficiente.

Os pesquisadores, Contudo, desenvolveram uma maneira de entrelaçar nanoestruturas dentro de um material a granel, alcançando assim os benefícios da nanoestruturação convencional sem usar métodos de síntese complexos ou sacrificar a resistência do material.

Líder do projeto, Stoyan Smoukov, explicou:"Nossos supercapacitores podem armazenar muita carga muito rapidamente, porque o material ativo fino (o polímero condutor) está sempre em contato com um segundo polímero que contém íons, assim como as regiões finas vermelhas de uma bengala de doce estão sempre próximas das partes brancas. Mas isso é em uma escala muito menor.

"Essa estrutura interpenetrante permite que o material se dobre com mais facilidade, bem como inchar e encolher sem rachar, levando a uma maior longevidade. Este método é como matar não apenas dois, mas três pássaros com uma pedra. "

Os resultados

O grupo Smoukov havia sido pioneiro em uma rota combinatória para multifuncionalidade usando redes de polímeros interpenetrantes (IPN) em que cada componente teria sua própria função, em vez de usar química de tentativa e erro para ajustar todas as funções em uma molécula.

Desta vez, eles aplicaram o método de armazenamento de energia, especificamente supercapacitores, devido ao conhecido problema de má utilização do material nas profundezas da superfície do eletrodo.

Esta técnica de interpenetração aumenta drasticamente a área de superfície do material, ou, mais precisamente, a área de interface entre os diferentes componentes do polímero.

A interpenetração também resolve dois outros problemas importantes nos supercapacitores. Traz flexibilidade e tenacidade, pois as interfaces impedem o crescimento de quaisquer fissuras que possam se formar no material. Também permite que as regiões finas inchem e encolham repetidamente sem desenvolver grandes tensões, portanto, são resistentes eletroquimicamente e mantêm seu desempenho ao longo de muitos ciclos de carregamento.

Os pesquisadores estão atualmente projetando e avaliando racionalmente uma variedade de materiais que podem ser adaptados ao sistema de polímero interpenetrante para supercondensadores ainda melhores.

Em uma próxima revisão, aceito para publicação na revista Sustainable Energy and Fuels, eles apresentam uma visão geral das diferentes técnicas que as pessoas usaram para melhorar os vários parâmetros necessários para novos supercapacitores.

Esses dispositivos podem ser feitos em filmes independentes macios e flexíveis, que poderia alimentar eletrônicos embutidos em roupas inteligentes, dispositivos vestíveis e implantáveis, e robótica suave. Os desenvolvedores esperam fazer sua contribuição para fornecer energia onipresente para os dispositivos emergentes da Internet das Coisas (IoT), que ainda é um desafio significativo pela frente.