Pesquisadores da Texas A&M University descobriram que, ao carregar um supercapacitor, ele armazena energia e responde alongando-se e expandindo-se. Esta descoberta pode ser usada para projetar novos materiais para eletrônicos flexíveis ou outros dispositivos que devem ser fortes e armazenar energia de forma eficiente.



Jodie Lutkenhaus, chefe associada do departamento de engajamento interno e professora de engenharia química, colaborou com o Dr. Dimitris Lagoudas, professor de engenharia aeroespacial e o Dr. James Boyd, professor associado de engenharia aeroespacial em um novo artigo publicado na Matter .

"Medimos as tensões que se desenvolveram em eletrodos de supercapacitores baseados em grafeno e correlacionamos as tensões com a forma como os íons se movem para dentro e para fora do material", disse Lutkenhaus. "Por exemplo, quando um capacitor é ligado e desligado, cada eletrodo armazena e libera íons que podem fazer com que ele inche e contraia."

Lutkenhaus disse que esse movimento repetido pode causar o acúmulo de tensões mecânicas, resultando na falha do dispositivo. Para combater isso, sua pesquisa busca criar um instrumento que meça tensões e deformações mecânicas em materiais de armazenamento de energia à medida que eles carregam e descarregam.

Este instrumento oferece informações sobre como medir o comportamento mecânico durante a carga e descarga de um eletrodo, o que pode ser difícil de observar em tempo real.

"Somos pioneiros em métodos experimentais para medir a resposta eletroquímica e mecânica simultânea dos eletrodos", disse Boyd. “Nossa pesquisa está agora mudando de supercapacitores para baterias”.

Danos mecânicos limitam o ciclo de vida das baterias, portanto são necessários novos hardwares e modelos para interpretar medições experimentais para separar os efeitos de difusão de massa, reações, deformação inelástica e danos mecânicos.

Baterias e capacitores podem falhar devido aos diferentes efeitos de tensões mecânicas internas e externas. Tensões internas ocorrem quando as baterias desenvolvem ciclos repetidos do dispositivo, enquanto tensões externas podem resultar de impacto ou penetração do dispositivo.

Quando essas tensões acontecem, a bateria precisa ser capaz de suportar os danos. Lutkenhaus disse que é importante entender como o estresse mecânico se desenvolve no estado eletroquímico do dispositivo.

“Desenvolvemos um instrumento que pode fazer exatamente isso”, disse Lutkenhaus. "Ao obter esta visão crítica, poderemos ser capazes de projetar dispositivos de armazenamento de energia mais seguros e que durarão mais tempo."

A pesquisa visa desenvolver dispositivos de armazenamento de energia que possam suportar cargas estruturais e eventualmente substituir plásticos reforçados com fibra de carbono que atuam como painéis estruturais em aeronaves, melhorando assim a eficiência energética.

“Este artigo é o resultado de uma colaboração contínua entre cientistas da engenharia química e da engenharia aeroespacial”, disse Lagoudas. "Esta pesquisa fornece uma compreensão única de como os nanomateriais podem ser usados ​​para dispositivos de armazenamento de energia leves e fortes para aplicações aeroespaciais."

Mais informações: Dimitrios Loufakis et al, Acoplamento eletroquímico-mecânico in situ de eletrodos supercapacitores de nanomateriais 2D, Matéria (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017
Informações do diário: Matéria

Fornecido pela Faculdade de Engenharia da Universidade Texas A&M