Крошечные провода могут обеспечить большой прирост энергии

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике по лицензии Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Носимые электронные устройства для мониторинга здоровья и фитнеса — быстрорастущая область бытовой электроники; Одним из их самых больших ограничений является способность их крошечных батарей обеспечивать достаточную мощность для передачи данных. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и в Канаде нашли многообещающий новый подход к обеспечению коротких, но интенсивных всплесков мощности, необходимых таким небольшим устройствам.

Ключом к успеху является новый подход к созданию суперконденсаторов — устройств, которые могут хранить и выделять электроэнергию такими импульсами, которые необходимы для кратковременной передачи данных от носимых устройств, таких как мониторы сердечного ритма, компьютеры или смартфоны, говорят исследователи. Они также могут быть полезны для других приложений, где требуется высокая мощность в небольших объемах, таких как автономные микророботы.

Новый подход использует нити, сделанные из нанопроволок элемента ниобия, в качестве электродов в крошечных суперконденсаторах (которые по сути представляют собой пары электропроводящих волокон с изолятором между ними). Концепция описана в статье в журнале ACS Applied Materials and Interfaces профессором машиностроения Массачусетского технологического института Яном Хантером, аспирантом Сейедом М. Мирвакили и тремя другими сотрудниками Университета Британской Колумбии.

Исследователи нанотехнологий работали над повышением производительности суперконденсаторов в течение последнего десятилетия. Среди наноматериалов наночастицы на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки и графен, показали многообещающие результаты, но они страдают от относительно низкой электропроводности, говорит Мирвакили.

В этой новой работе он и его коллеги показали, что желаемые характеристики таких устройств, такие как высокая удельная мощность, не являются уникальными для наночастиц на основе углерода, и что ниобиевые нанонити являются многообещающей альтернативой.

«Представьте, что у вас есть какая-то носимая система мониторинга здоровья, — говорит Хантер, — и ей необходимо передавать данные, например, с помощью Wi-Fi, на большие расстояния». В настоящее время батарейки размером с монету, используемые во многих небольших электронных устройствах, имеют очень ограниченную способность одновременно передавать большую мощность, а это то, что нужно для такой передачи данных.

«Для Wi-Fi на больших расстояниях требуется изрядное количество энергии, — говорит Хантер, профессор термодинамики факультета машиностроения Массачусетского технологического института имени Джорджа Н. Хацопулоса, — но она может понадобиться не очень долго». Маленькие батареи, как правило, плохо подходят для таких нужд, добавляет он.

«Мы знаем, что с этой проблемой сталкивается ряд компаний, работающих в сфере мониторинга здоровья и физических упражнений. Поэтому альтернативой является сочетание батареи и конденсатора», — говорит Хантер: батарея для долгосрочных функций с низким энергопотреблением и конденсатор для коротких всплесков высокой мощности. Такая комбинация должна позволить либо увеличить дальность действия устройства, либо — что, возможно, более важно на рынке — значительно снизить требования к размеру.

Новый суперконденсатор на основе нанопроволок превосходит по производительности существующие батареи, занимая при этом очень небольшой объем. «Если у вас есть Apple Watch и я сэкономил 30 процентов массы, вы можете даже этого не заметить», — говорит Хантер. «Но если вы уменьшите громкость на 30 процентов, это будет иметь большое значение», — говорит он: «Потребители очень чувствительны к размеру носимых устройств.

По словам Хантера, эта инновация особенно важна для небольших устройств, поскольку другие технологии хранения энергии, такие как топливные элементы, батареи и маховики, как правило, менее эффективны или просто слишком сложны, чтобы их можно было использовать на практике, если их уменьшить до очень маленьких размеров. «Мы находимся в наилучшем положении», — говорит он, — с технологией, которая может обеспечить большие приливы мощности с помощью очень маленького устройства.