(Phys.org) —Imagine um futuro em que nossos aparelhos elétricos não sejam mais limitados por plugues e fontes de alimentação externas. Esta perspectiva intrigante é uma das razões para o atual interesse em construir a capacidade de armazenar energia elétrica diretamente em uma ampla gama de produtos, como um laptop cujo invólucro serve como bateria, ou um carro elétrico movido a energia armazenada em seu chassi, ou uma casa onde a parede seca e o revestimento armazenam a eletricidade que alimenta as luzes e os eletrodomésticos.

Também torna o pequeno, wafers cinza opacos que o estudante de graduação Andrew Westover e o professor assistente de engenharia mecânica Cary Pint fizeram no Laboratório de Nanomateriais e Dispositivos de Energia de Vanderbilt muito mais importantes do que sua aparência indefinida sugere.

"Esses dispositivos demonstram - pela primeira vez, pelo que podemos dizer - que é possível criar materiais que podem armazenar e descarregar quantidades significativas de eletricidade enquanto estão sujeitos a cargas estáticas e forças dinâmicas realistas, como vibrações ou impactos, "disse Pint." Andrew conseguiu tornar nosso sonho de materiais de armazenamento de energia estrutural em realidade. "

Isso é importante porque o armazenamento de energia estrutural mudará a maneira como uma ampla variedade de tecnologias será desenvolvida no futuro.

"Quando você pode integrar energia aos componentes usados ​​para construir sistemas, ele abre a porta para um novo mundo de possibilidades tecnológicas. De repente, a capacidade de projetar tecnologias com base na saúde, entretenimento, viagens e comunicação social não serão limitadas por plugues e fontes de energia externas, "Pint disse.

O novo dispositivo que Pint e Westover desenvolveram é um supercapacitor que armazena eletricidade através da montagem de íons eletricamente carregados na superfície de um material poroso, em vez de armazená-lo em reações químicas, como acontece com as baterias. Como resultado, supercaps podem carregar e descarregar em minutos, em vez de horas, e operam por milhões de ciclos, em vez de milhares de ciclos como baterias.

Em um artigo publicado online em 19 de maio na revista Nano Letras , Pint e Westover relatam que seu novo supercapacitor estrutural opera perfeitamente no armazenamento e liberação de carga elétrica, enquanto sujeito a tensões ou pressões de até 44 psi e acelerações vibracionais acima de 80 g (significativamente maiores do que aquelas atuando nas pás da turbina em um motor a jato).

Além disso, a robustez mecânica do dispositivo não compromete sua capacidade de armazenamento de energia. "Em um pacote não embalado, estado estruturalmente integrado, nosso supercapacitor pode armazenar mais energia e operar em tensões mais altas do que um pacote, supercapacitor comercial de prateleira, mesmo sob intensas forças dinâmicas e estáticas, "Pint disse.

Uma área em que os supercapacitores ficam para trás em relação às baterias é na capacidade de armazenamento de energia elétrica:os supercapacitores devem ser maiores e mais pesados ​​para armazenar a mesma quantidade de energia que as baterias de íon de lítio. Contudo, a diferença não é tão importante quando se considera os sistemas multifuncionais de armazenamento de energia.

"As métricas de desempenho da bateria mudam quando você está colocando armazenamento de energia em materiais pesados ​​que já são necessários para a integridade estrutural, "disse Pint." Supercapacitores armazenam dez vezes menos energia do que as baterias de íon de lítio atuais, mas podem durar mil vezes mais. Isso significa que eles são mais adequados para aplicações estruturais. Não faz sentido desenvolver materiais para construir uma casa, chassis de carro, ou veículo aeroespacial, se você tiver que substituí-los a cada poucos anos, porque eles morrem. "

Os wafers de Westover consistem em eletrodos feitos de silício que foram quimicamente tratados para que tenham poros em nanoescala em suas superfícies internas e, em seguida, revestidos com uma camada protetora de carbono semelhante ao grafeno. Sanduíche entre os dois eletrodos é um filme de polímero que atua como um reservatório de íons carregados, semelhante ao papel da pasta de eletrólito em uma bateria. Quando os eletrodos são pressionados juntos, o polímero escorre para os minúsculos poros da mesma maneira que o queijo derretido penetra nos cantos e fendas do pão artesanal em uma Panini. Quando o polímero esfria e solidifica, ele forma uma ligação mecânica extremamente forte.

"O maior problema com o projeto de supercaps de suporte de carga é impedi-los de delaminar, "disse Westover." Combinar material nanoporoso com o eletrólito do polímero une as camadas mais firmemente do que a supercola. "

O uso de silício em supercapacitores estruturais é mais adequado para eletrônicos de consumo e células solares, mas Pint e Westover estão confiantes de que as regras que governam o caráter de suporte de carga de seu projeto serão transferidas para outros materiais, como nanotubos de carbono e metais porosos leves como o alumínio.

A intensidade do interesse em dispositivos "multifuncionais" desse tipo é refletida pelo fato de que a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Energia do Departamento de Energia dos EUA está investindo US $ 8,7 milhões em projetos de pesquisa que se concentram especificamente na incorporação de armazenamento de energia em materiais estruturais. Também houve notícias recentes na imprensa de vários esforços importantes para desenvolver materiais multifuncionais ou baterias estruturais para uso em veículos elétricos e para aplicações militares. Contudo, Pint destacou que não há relatos na literatura técnica de testes realizados em materiais de armazenamento de energia estrutural que mostrem como eles funcionam sob cargas mecânicas realistas.