Fios minúsculos podem fornecer um grande aumento de energia

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Dispositivos eletrônicos vestíveis para monitoramento de saúde e condicionamento físico são uma área de eletrônicos de consumo em rápido crescimento; uma de suas maiores limitações é a capacidade de suas pequenas baterias fornecerem energia suficiente para transmitir dados. Agora, investigadores do MIT e do Canadá descobriram uma nova abordagem promissora para fornecer as explosões curtas mas intensas de energia necessárias a dispositivos tão pequenos.

A chave é uma nova abordagem para fabricar supercapacitores – dispositivos que podem armazenar e liberar energia elétrica em tais rajadas, que são necessárias para breves transmissões de dados de dispositivos vestíveis, como monitores de frequência cardíaca, computadores ou smartphones, dizem os pesquisadores. Eles também podem ser úteis para outras aplicações onde é necessária alta potência em pequenos volumes, como microrobôs autônomos.

A nova abordagem utiliza fios, feitos de nanofios do elemento nióbio, como eletrodos em minúsculos supercapacitores (que são essencialmente pares de fibras eletricamente condutoras com um isolante entre elas). O conceito é descrito em um artigo publicado na revista ACS Applied Materials and Interfaces pelo professor de engenharia mecânica do MIT, Ian W. Hunter, pelo estudante de doutorado Seyed M. Mirvakili e três outros da Universidade de British Columbia.

Pesquisadores de nanotecnologia têm trabalhado para aumentar o desempenho dos supercapacitores na última década. Entre os nanomateriais, as nanopartículas à base de carbono – como os nanotubos de carbono e o grafeno – têm mostrado resultados promissores, mas sofrem de uma condutividade elétrica relativamente baixa, diz Mirvakili.

Neste novo trabalho, ele e seus colegas mostraram que as características desejáveis ​​para tais dispositivos, como alta densidade de potência, não são exclusivas das nanopartículas à base de carbono, e que o fio de nanofios de nióbio é uma alternativa promissora.

“Imagine que você tem algum tipo de sistema de monitoramento de saúde portátil”, diz Hunter, “e ele precisa transmitir dados, por exemplo, usando Wi-Fi, a longa distância”. Neste momento, as baterias do tamanho de uma moeda utilizadas em muitos pequenos dispositivos eletrónicos têm uma capacidade muito limitada de fornecer muita energia de uma só vez, que é o que essas transmissões de dados necessitam.

“O Wi-Fi de longa distância requer uma quantidade razoável de energia”, diz Hunter, professor George N. Hatsopoulos de Termodinâmica no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, “mas pode não ser necessário por muito tempo”. Baterias pequenas geralmente não são adequadas para essas necessidades de energia, acrescenta.

“Sabemos que é um problema enfrentado por várias empresas no setor de monitoramento de saúde ou de exercícios. Portanto, uma alternativa é usar uma combinação de bateria e capacitor”, diz Hunter: a bateria para funções de baixo consumo de energia de longo prazo e o capacitor para rajadas curtas de alta potência. Tal combinação deverá ser capaz de aumentar o alcance do dispositivo ou – talvez o que é mais importante no mercado – reduzir significativamente os requisitos de tamanho.

O novo supercapacitor baseado em nanofios excede o desempenho das baterias existentes, ao mesmo tempo que ocupa um volume muito pequeno. “Se você tem um Apple Watch e eu reduzo 30% da massa, você pode nem perceber”, diz Hunter. “Mas se você reduzir o volume em 30%, isso seria um grande problema”, diz ele: Os consumidores são muito sensíveis ao tamanho dos dispositivos vestíveis.

A inovação é especialmente significativa para dispositivos pequenos, diz Hunter, porque outras tecnologias de armazenamento de energia – como células de combustível, baterias e volantes – tendem a ser menos eficientes ou simplesmente demasiado complexas para serem práticas quando reduzidas a tamanhos muito pequenos. “Estamos numa situação ideal”, diz ele, com uma tecnologia que pode fornecer grandes explosões de energia a partir de um dispositivo muito pequeno.