Um esquema mostra dispositivos de bateria / supercapacitor em nanoescala em uma matriz, conforme construído na Rice University. Os dispositivos são promissores para alimentar a eletrônica em nanoescala e como uma ferramenta de pesquisa para a compreensão do fenômeno eletroquímico em nanoescala. (Crédito:Ajayan Lab / Rice University)
Em uma demonstração vívida do progresso que está sendo feito na miniaturização de dispositivos de armazenamento de energia, uma equipe de engenheiros da Rice University em Houston, Texas, fabricou um dispositivo de armazenamento de energia onde todos os componentes essenciais são integrados em um único nanofio. O dispositivo de armazenamento de energia de nanofios pode dar aos pesquisadores uma melhor compreensão da eletroquímica em nanoescala, e com otimização também pode ser usado para alimentar dispositivos nanoeletrônicos.
Os engenheiros de arroz Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, e Pulickel M. Ajayan publicaram seu estudo sobre os dispositivos de armazenamento de energia de nanofios em uma edição recente da Nano Letras .
“Nosso trabalho aqui demonstrou pela primeira vez a fabricação de todos os três principais componentes de um dispositivo de armazenamento de energia - ânodo, eletrólito, e cátodo - em um único nanofio, ”Ajayan disse PhysOrg.com . “Isso representa a forma definitiva de miniaturização prometida pela nanotecnologia e um avanço na fabricação de blocos de construção de nanofios mais complexos e funcionais para futuras aplicações de nanotecnologia.”
Os pesquisadores fabricaram primeiro um novo sistema eletroquímico híbrido de filme fino que consiste em um ânodo de níquel-estanho (Ni-Sn) e um cátodo de polianilina (PANI), que apresentou bom desempenho eletroquímico. Como um dispositivo eletroquímico híbrido (HED), o sistema combina as vantagens de baterias (alta energia) e supercapacitores (alta potência) em um único design.
Para fabricar o mesmo sistema em uma matriz de nanofios, os pesquisadores usaram modelos de nanofios com diâmetros de poro de cerca de 200 nm. Depois de revestir os poros com uma fina camada de cobre, os pesquisadores preencheram os poros até a metade com Ni-Sn para fazer o ânodo. Em seguida, os pesquisadores alargaram quimicamente os poros, a fim de revestir o Ni-Sn com uma fina camada de eletrólito de óxido de polietileno (PEO), que serviu de separador. Finalmente, o catodo PANI foi integrado na estrutura por um processo de infiltração. Geral, todo o nanofio tinha alguns micrômetros de comprimento e uma área total de cerca de 0,5 cm 2 .
Os pesquisadores fabricaram vários desses dispositivos e os organizaram em uma matriz paralela para teste. Ao carregar e descarregar os dispositivos, os pesquisadores demonstraram que os dispositivos têm, em geral, boas características de carga / descarga que podem torná-los atraentes para alimentar dispositivos nanoeletrônicos.
Outra vantagem dos dispositivos de nanofios é que seus eletrodos não contêm lítio. Embora o lítio tenha sido usado em muitas baterias e HEDs, ele limita a densidade de energia e é caro de fabricar devido à síntese em alta temperatura. Em contraste, os materiais do eletrodo usados aqui (Ni-Sn e PANI) têm a vantagem de serem facilmente sintetizados à temperatura ambiente usando técnicas simples, tornando-os muito mais baratos.
“Com o avanço dos dispositivos nanoeletrônicos, surge a necessidade de fontes de energia em menor escala (nano), ”Ajayan disse. “Com o desenvolvimento de fontes de energia em nanoescala, tais requisitos podem ser atendidos. Além disso, a fabricação de tais dispositivos totalmente funcionais em nanofios individuais poderia ajudar a comunidade científica em mais pesquisas e melhor compreensão da eletroquímica em interfaces em nanoescala. Nosso dispositivo aqui pode servir como uma ferramenta para entender questões importantes, como autodescarga, correntes de fuga, e a natureza das resistências interfaciais dos dispositivos de armazenamento de energia em nanoescala. ”
No futuro, os pesquisadores planejam investigar maneiras de melhorar ainda mais o desempenho do dispositivo de nanofios. Por exemplo, otimizando a espessura da camada separadora entre os dois eletrodos, eles esperam minimizar a autodescarga que muitas vezes assola as baterias com separadores finos, bem como melhorar a baixa eficiência Coulombic. Os pesquisadores também esperam aumentar o comprimento do eletrodo usando diferentes modelos de nanofios, o que poderia levar a um aumento na capacidade do dispositivo por unidade de área.
“Neste ponto, é difícil conjeturar os dispositivos exatos que poderiam ser usados para alimentar, ”Ajayan disse. “Demonstramos o funcionamento de um dispositivo de matriz de nanofios plantado sobre uma área geométrica de cerca de 0,5 cm 2 . Dispositivos nesta escala podem ser usados para alimentar vários dispositivos MEMS. Em última análise, baterias de nanofios individuais poderiam alimentar, cada uma, alguns dispositivos semicondutores de nanofios, por exemplo. ”
