O aumento da demanda por sensores eletrônicos super minúsculos provenientes de serviços de saúde, serviços ambientais e Internet das Coisas está provocando uma busca por maneiras igualmente minúsculas de alimentar esses sensores. Uma revisão do estado dos supercapacitores ultracompactos, ou "micro-supercapacitores", conclui que ainda há muita pesquisa a ser feita antes que esses dispositivos possam cumprir sua promessa.
A revisão foi publicada na revista Nano Research Energy .

A explosão da demanda nos últimos anos por dispositivos eletrônicos miniaturizados, como monitores de saúde, sensores ambientais e tecnologias de comunicação sem fio, por sua vez, impulsionou a demanda por componentes para esses dispositivos que têm tamanho e peso cada vez menores, com menor consumo de energia, e tudo isso a preços mais baratos.

O mais ilustrativo do requisito para esses componentes eletrônicos de alto desempenho, mas minúsculos, são as necessidades emergentes, mas substanciais, da Internet das Coisas - a incorporação de vários microssensores que podem receber, processar e transmitir sinais em uma variedade de aplicações de smart- tecnologia doméstica para a saúde. Esses microssensores tendem a ser implantados em espaços extremamente limitados.

Como esses microssensores - como seus primos macro - precisam funcionar com energia de algum lugar, eles precisam ser emparelhados com fontes de "microenergia" igualmente pequenas. Mas a incorporação de dispositivos convencionais de armazenamento de energia, como baterias, mesmo muito pequenas, torna os sensores muito pesados ​​e volumosos para os requisitos da Internet das Coisas.

Como resultado, cientistas e engenheiros têm explorado a possibilidade de transformar fontes de energia como luz ou mesmo vibrações mecânicas em eletricidade, mas isso ainda exige algum tipo de armazenamento de energia para compensar a intermitência e instabilidade dessas fontes.

O que pode fazer o trabalho de uma bateria, mas não precisa ser tão volumoso quanto uma bateria? Micro-supercapacitores são uma opção.

Capacitores podem ser familiares para eletricistas e engenheiros elétricos, mas o público em geral pode estar menos familiarizado com seu funcionamento do que com baterias. Um capacitor armazena energia, mas na forma de um campo elétrico em vez de quimicamente como uma bateria. Ele não pode armazenar tanta energia quanto uma bateria, mas pode carregar e liberar sua energia muito mais rapidamente.

Um supercapacitor é um capacitor com muito mais capacidade de armazenamento de energia do que um capacitor comum, tornando-se uma casa intermediária entre capacitores e baterias. E um supercapacitor ultracompacto, ou "micro-supercapacitor" (MSC) é um supercapacitor pequeno o suficiente para ser integrado em sistemas micro ou mesmo nanoeletrônicos.

São esses MSCs que têm recebido crescente atenção na era da Internet das Coisas, em particular para permitir micro e nanoeletrônicos autoalimentados e sem fio. Isso se deve à sua excepcional potência de saída, vida útil ultralonga de aproximadamente 100.000 ciclos, caminhos de difusão mais controláveis ​​para elétrons ou íons (os minúsculos "atores" cinéticos que fazem todo o trabalho em sistemas eletrônicos), desempenho de saída ajustável e fácil integração com sistemas super pequenos.

"Mas ainda há muitos desafios para que tudo isso funcione", disse Zhong-Shuai Wu, co-autor do artigo de revisão e professor do State Key Laboratory of Catalysis, da Academia Chinesa de Ciências. "Então pensamos que era hora de montar um artigo de revisão para que o campo possa identificar melhor o que acertamos e o que ainda precisa ser corrigido."

Os artigos de revisão são uma etapa fundamental no desenvolvimento de uma disciplina jovem para que os pesquisadores possam esclarecer o entendimento atual, identificar desafios e lacunas de pesquisa. As avaliações também podem oferecer diretrizes para políticas e dicas sobre práticas recomendadas.

Os revisores concluíram que o tamanho da maioria das MSCs relatadas na literatura científica permanece grande demais para ser facilmente incorporada em sistemas microeletrônicos. Atenção limitada tem sido focada na fabricação de MSCs ultrapequenos, menores que dez milímetros quadrados, e no confinamento hipercompacto de eletrólitos (um elemento-chave dos MSCs) em escala micro.

Um dos principais desafios para os MSCs continua sendo a necessidade de reduzir o tamanho do recurso, incluindo o comprimento e a largura do microeletrodo e o intervalo entre os microeletrodos adjacentes. Tudo isso melhoraria a capacidade de integração dos MSCs nos dispositivos relevantes. Nessa linha, muitos estudos de MSC se concentraram em técnicas de microfabricação de alta precisão, como fotolitografia, técnica de gravação a laser, gravação por feixe de íons focados e novos métodos de impressão.

Outros avanços recentes do MSC incluem o desenvolvimento de resolução superior, tensão de saída ajustável, capacitância aprimorada (a capacidade do MSC de coletar e armazenar energia na forma de carga elétrica) e deposição de eletrólitos de forma conformável.

Apesar de uma série de conquistas impressionantes, especialmente na escala nanométrica, a energia e a densidade de potência permanecem insatisfatórias para um desempenho econômico. Além disso, a compreensão teórica precisa ser trabalhada. A esse respeito, os autores defendem uma maior cooperação interdisciplinar, dado o número de campos relevantes para a pesquisa de MSC, e gostariam de ver a introdução do aprendizado de máquina para ajudar no design preciso de MSCs para corresponder com mais precisão às demandas díspares em diferentes cenários de aplicativos inteligentes. + Explorar mais

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