p (Phys.org) - Células solares que produzem eletricidade 24 horas por dia, 7 dias por semana, não apenas quando o sol está brilhando. Telefones celulares com células de energia integradas que recarregam em segundos e funcionam por semanas entre as cargas. p Estas são apenas duas das possibilidades levantadas por um novo design de supercapacitor inventado por cientistas de materiais na Universidade de Vanderbilt que é descrito em um artigo publicado na edição de 22 de outubro da revista. Relatórios Científicos .

p É o primeiro supercapacitor feito de silício, de modo que pode ser integrado em um chip de silício junto com o circuito microeletrônico que alimenta. Na verdade, deve ser possível construir essas células de energia com o excesso de silício que existe na geração atual de células solares, sensores, telefones celulares e uma variedade de outros dispositivos eletromecânicos, proporcionando uma economia de custos considerável.

p "Se você perguntar a especialistas sobre como fazer um supercapacitor de silício, eles vão te dizer que é uma ideia maluca, "disse Cary Pint, o professor assistente de engenharia mecânica que chefiava o desenvolvimento. "Mas encontramos uma maneira fácil de fazer isso."

p Em vez de armazenar energia em reações químicas como as baterias fazem, "supercaps" armazenam eletricidade reunindo íons na superfície de um material poroso. Como resultado, eles tendem a carregar e descarregar em minutos, em vez de horas, e operam por alguns milhões de ciclos, em vez de alguns milhares de ciclos como baterias.

p Essas propriedades permitiram supercapacitores comerciais, que são feitos de carvão ativado, para capturar alguns nichos de mercado, como o armazenamento de energia capturada por sistemas de frenagem regenerativos em ônibus e veículos elétricos e para fornecer as explosões de energia necessárias para ajustar as pás de turbinas eólicas gigantes às mudanças nas condições do vento. Os supercapacitores ainda ficam para trás em relação à capacidade de armazenamento de energia elétrica das baterias de íon-lítio, portanto, são muito volumosos para alimentar a maioria dos dispositivos de consumo. Contudo, eles estão se recuperando rapidamente.

p A pesquisa para melhorar a densidade de energia dos supercapacitores se concentrou em nanomateriais à base de carbono, como grafeno e nanotubos. Como esses dispositivos armazenam carga elétrica na superfície de seus eletrodos, a maneira de aumentar sua densidade de energia é aumentar a área de superfície dos eletrodos, o que significa fazer superfícies preenchidas com cristas e poros em nanoescala.

p “O grande desafio dessa abordagem é a montagem dos materiais, "disse Pint." Construindo alto desempenho, dispositivos funcionais de blocos de construção em nanoescala com qualquer nível de controle provaram ser bastante desafiadores, e quando é alcançado, é difícil repetir. "

p Então Pint e sua equipe de pesquisa - estudantes de graduação Landon Oakes, Andrew Westover e seu colega de pós-doutorado Shahana Chatterjee - decidiram adotar uma abordagem radicalmente diferente:usando silício poroso, um material com uma nanoestrutura controlável e bem definida feita por corrosão eletroquímica da superfície de uma pastilha de silício.

p Isso permitiu que eles criassem superfícies com nanoestruturas ideais para eletrodos de supercapacitores, mas isso os deixou com um grande problema. O silício é geralmente considerado impróprio para uso em supercondensadores porque reage prontamente com alguns dos produtos químicos nos eletrólitos que fornecem os íons que armazenam a carga elétrica.

p Com experiência no cultivo de nanoestruturas de carbono, O grupo de Pint decidiu tentar revestir a superfície porosa do silício com carbono. "Não tínhamos ideia do que iria acontecer, "disse Pint." Normalmente, os pesquisadores cultivam grafeno a partir de materiais de carboneto de silício em temperaturas acima de 1400 graus Celsius. Mas em temperaturas mais baixas - 600 a 700 graus Celsius - certamente não esperávamos crescimento de material semelhante ao do grafeno. "

p Quando os pesquisadores retiraram o silício poroso do forno, eles descobriram que tinha mudado de laranja para roxo ou preto. Quando eles o inspecionaram em um poderoso microscópio eletrônico de varredura, descobriram que ele parecia quase idêntico ao material original, mas estava revestido por uma camada de grafeno com alguns nanômetros de espessura.

p Quando os pesquisadores testaram o material revestido, descobriram que ele havia estabilizado quimicamente a superfície do silício. Quando eles o usaram para fazer supercapacitores, eles descobriram que o revestimento de grafeno melhorou as densidades de energia em mais de duas ordens de magnitude em comparação com aqueles feitos de silício poroso não revestido e significativamente melhor do que os supercapacitores comerciais.

p A camada de grafeno atua como uma camada protetora atomicamente fina. Pint e seu grupo argumentam que essa abordagem não se limita ao grafeno. "A capacidade de projetar superfícies com camadas atomicamente finas de materiais combinada com o controle alcançado no projeto de materiais porosos abre oportunidades para uma série de aplicações diferentes além do armazenamento de energia, " ele disse.

p "Apesar do excelente desempenho do dispositivo que alcançamos, nosso objetivo não era criar dispositivos com desempenho recorde, "disse Pint." Era para desenvolver um roteiro para o armazenamento integrado de energia. O silício é um material ideal para se focar porque é a base de muitas de nossas modernas tecnologias e aplicações. Além disso, a maior parte do silício nos dispositivos existentes permanece sem uso, uma vez que é muito caro e desperdício produzir pastilhas de silício finas. "

p O grupo de Pint está atualmente usando essa abordagem para desenvolver o armazenamento de energia que pode ser formado nos materiais em excesso ou na parte de trás não utilizada de células solares e sensores. Os supercondensadores armazenariam o excesso de eletricidade que as células geram ao meio-dia e a liberariam quando a demanda chegasse ao pico à tarde.

p “Todas as coisas que nos definem em um ambiente moderno requerem eletricidade, "disse Pint." Quanto mais podemos integrar o armazenamento de energia em materiais e dispositivos existentes, mais compactos e eficientes eles se tornarão. "