Draagbare elektronische apparaten voor gezondheids- en fitnessmonitoring vormen een snel groeiend gebied van consumentenelektronica; een van hun grootste beperkingen is de capaciteit van hun kleine batterijen om voldoende stroom te leveren om gegevens te verzenden. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT en in Canada hebben een veelbelovende nieuwe benadering gevonden voor het leveren van de korte maar intense stroomstoten die zulke kleine apparaten nodig hebben.

De sleutel is een nieuwe benadering voor het maken van supercondensatoren - apparaten die elektrische stroom kunnen opslaan en vrijgeven in dergelijke bursts, die nodig zijn voor korte gegevensoverdrachten van draagbare apparaten zoals hartslagmeters, computers, of smartphones, zeggen de onderzoekers. Ze kunnen ook nuttig zijn voor andere toepassingen waar een hoog vermogen nodig is in kleine volumes, zoals autonome microrobots.

De nieuwe aanpak maakt gebruik van garens, gemaakt van nanodraden van het element niobium, als de elektroden in kleine supercondensatoren (die in wezen paren zijn van elektrisch geleidende vezels met een isolator ertussen). Het concept wordt beschreven in een paper in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces door MIT hoogleraar werktuigbouwkunde Ian W. Hunter, promovendus Seyed M. Mirvakili, en drie anderen aan de Universiteit van British Columbia.

Nanotechnologie-onderzoekers hebben het afgelopen decennium gewerkt aan het verbeteren van de prestaties van supercondensatoren. Onder nanomaterialen, op koolstof gebaseerde nanodeeltjes, zoals koolstofnanobuizen en grafeen, hebben veelbelovende resultaten opgeleverd, maar ze lijden aan een relatief lage elektrische geleidbaarheid, zegt Mirvakili.

In dit nieuwe werk hij en zijn collega's hebben aangetoond dat wenselijke eigenschappen voor dergelijke apparaten, zoals een hoge vermogensdichtheid, zijn niet uniek voor op koolstof gebaseerde nanodeeltjes, en dat niobium nanodraadgaren een veelbelovend alternatief is.

"Stel je voor dat je een soort draagbaar gezondheidsmonitoringsysteem hebt, "Jager zegt, "en het moet gegevens uitzenden, bijvoorbeeld via wifi, over een lange afstand." Op dit moment, de batterijen ter grootte van een munt die in veel kleine elektronische apparaten worden gebruikt, hebben een zeer beperkt vermogen om veel stroom tegelijk te leveren, dat is wat dergelijke gegevensoverdrachten nodig hebben.

"Wi-Fi over lange afstanden vereist behoorlijk wat stroom, " zegt Jager, de George N. Hatsopoulos Professor in Thermodynamics in MIT's Department of Mechanical Engineering, "maar het is misschien niet lang nodig." Kleine batterijen zijn over het algemeen slecht geschikt voor dergelijke stroombehoeften, hij voegt toe.

"We weten dat het een probleem is dat door een aantal bedrijven wordt ervaren op het gebied van gezondheidsmonitoring of inspanningsmonitoring. Dus een alternatief is om naar een combinatie van een batterij en een condensator te gaan, " Hunter zegt:de batterij voor langdurig, low-power functies, en de condensator voor korte uitbarstingen van hoog vermogen. Een dergelijke combinatie zou het bereik van het apparaat moeten kunnen vergroten, of - misschien nog belangrijker op de markt - om de vereisten voor afmetingen aanzienlijk te verminderen.

De nieuwe op nanodraad gebaseerde supercondensator overtreft de prestaties van bestaande batterijen, terwijl het een zeer klein volume inneemt. "Als je een Apple Watch hebt en ik scheer 30 procent van de massa, je merkt het misschien niet eens, Hunter zegt. "Maar als je het volume met 30 procent verlaagt, dat zou erg zijn, " zegt hij:Consumenten zijn erg gevoelig voor de grootte van draagbare apparaten.

De innovatie is vooral belangrijk voor kleine apparaten, Jager zegt, omdat andere technologieën voor energieopslag, zoals brandstofcellen, batterijen, en vliegwielen - zijn meestal minder efficiënt, of gewoon te complex om praktisch te zijn wanneer het wordt teruggebracht tot zeer kleine afmetingen. "We zitten op een goede plek, " hij zegt, met een technologie die grote stroomstoten kan leveren vanaf een heel klein apparaat.

Ideaal, Jager zegt, het zou wenselijk zijn om een ​​hoge volumetrische vermogensdichtheid (de hoeveelheid energie opgeslagen in een bepaald volume) en een hoge volumetrische energiedichtheid (de hoeveelheid energie in een bepaald volume) te hebben. "Niemand weet hoe dat moet, "zegt hij. Echter, met het nieuwe apparaat "We hebben een vrij hoge volumetrische vermogensdichtheid, gemiddelde energiedichtheid, en lage kosten, " een combinatie die voor veel toepassingen goed geschikt zou kunnen zijn.

Niobium is een vrij overvloedig en veel gebruikt materiaal, Mirvakili zegt, dus het hele systeem moet goedkoop en gemakkelijk te produceren zijn. "De fabricagekosten zijn goedkoop, " zegt hij. Andere groepen hebben soortgelijke supercondensatoren gemaakt met behulp van koolstofnanobuisjes of andere materialen, maar de niobiumgarens zijn sterker en 100 keer beter geleidend. Algemeen, Op niobium gebaseerde supercondensatoren kunnen tot vijf keer zoveel stroom in een bepaald volume opslaan als versies van koolstofnanobuisjes.

Niobium heeft ook een zeer hoog smeltpunt - bijna 2, 500 graden Celsius, dus apparaten die van deze nanodraden zijn gemaakt, kunnen mogelijk geschikt zijn voor gebruik in toepassingen bij hoge temperaturen.

In aanvulling, het materiaal is zeer flexibel en kan in stoffen worden geweven, draagbare vormen mogelijk maken; individuele niobium-nanodraden hebben een diameter van slechts 140 nanometer - 140 miljardste van een meter breed, of ongeveer een duizendste van de breedte van een mensenhaar.

Tot dusver, het materiaal is alleen geproduceerd in apparaten op laboratoriumschaal. De volgende stap, al aan de gang, is om erachter te komen hoe je een praktische, gemakkelijk vervaardigde versie, zeggen de onderzoekers.

"Het werk is van groot belang bij de ontwikkeling van slimme stoffen en toekomstige draagbare technologieën, " zegt Geoff Spinks, een professor in de techniek aan de Universiteit van Wollongong, in Australië, die niet bij dit onderzoek betrokken was. Dit papier, hij voegt toe, "overtuigt op overtuigende wijze de indrukwekkende prestaties van op niobium gebaseerde supercondensatoren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.