Con l’aumento dell’interesse per la tecnologia indossabile, è aumentata anche la ricerca sulla creazione di dispositivi di accumulo di energia che possano essere intrecciati nei tessuti. I ricercatori della North Carolina State University hanno ora identificato un “punto debole” in cui la lunghezza di una tecnologia filiforme di accumulo di energia chiamata “supercondensatore a forma di filato” (YSC) produce il flusso di energia più elevato ed efficiente per unità di lunghezza.
“Quando si tratta della durata dell’YSC, si tratta di un compromesso tra potenza ed energia”, ha affermato Wei Gao, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore associato di ingegneria tessile, chimica e scienza presso la NC State. “Non è solo questione di quanta energia puoi immagazzinare, ma anche della resistenza interna che ci interessa.”
Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che gli YSC nella gamma di 40-60 centimetri fornivano la migliore produzione di energia complessiva.
Precedenti ricerche sugli YSC hanno prodotto risultati vari e talvolta contrastanti per quanto riguarda la produzione di energia dipendente dalla lunghezza. Lo scopo del nuovo studio, ha affermato Gao, era quello di fornire un modello coerente e completo per spiegare i cambiamenti nelle prestazioni dell’YSC su un’ampia gamma di lunghezze.
Per fare ciò, i ricercatori hanno prima fabbricato diversi YSC utilizzando coppie di filati di elettrodi incorporati in carbone attivo e un elettrolita in gel. Fili di nylon sono stati avvolti attorno a ciascun filo per evitare cortocircuiti, quindi i due elettrodi sono stati piegati insieme e rivestiti ulteriormente con lo stesso elettrolita gel. I ricercatori hanno creato questi YSC in segmenti che vanno da 10 a 300 cm di lunghezza, e poi hanno fatto passare attraverso di essi correnti elettriche di frequenze diverse. Ciò ha permesso loro di misurare due caratteristiche; la resistenza interna, che misura la quantità di corrente elettrica che viene impedita durante il tentativo di muoversi attraverso una batteria, e la capacità, che è la capacità di immagazzinare energia elettrica.
I ricercatori hanno scoperto che la capacità generalmente aumentava linearmente con la lunghezza compresa tra 10 e 60 cm, dopodiché i guadagni di capacità rallentavano significativamente all’aumentare della lunghezza. I risultati sono stati influenzati anche dalla frequenza dell’elettricità – o dalla velocità con cui oscilla la corrente elettrica. A seconda della frequenza elettrica della corrente, gli YSC vedrebbero guadagni di capacità decrescenti fino a 300 cm di lunghezza, anche se alcuni si stabilizzano a circa 150 cm. I modelli matematici hanno anche mostrato che gli YSC tra 40 e 80 cm mostravano la resistenza interna più bassa, il che ha portato i ricercatori a determinare che 40-60 cm era la lunghezza complessiva più efficiente.
L’autore principale Nanfei He, ricercatore post-dottorato presso la NC State, ha affermato che lo studio fa parte di uno sforzo più ampio volto a creare YSC che possano essere integrati nell’abbigliamento.
“Identificare la lunghezza ottimale degli YSC è fondamentale per il loro utilizzo efficace, guidando lo sviluppo di strategie per un’integrazione perfetta nei tessuti”, ha affermato.
Il finanziamento per lo studio è arrivato dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano, e Gao ha detto che immagina che le prime applicazioni per gli YSC saranno principalmente focalizzate sul settore militare.
“Immagina di poter creare un filato, semplicemente un normale filato tessile, da trasformare anche in una batteria”, ha detto Gao. “Puoi praticamente nasconderlo nei tuoi vestiti. Se puoi farlo, puoi aggiungere tante altre funzioni ai tuoi vestiti.”
C’è ancora molto lavoro da fare prima che gli YSC diventino utilizzabili per applicazioni pratiche.
“La tecnologia non è ancora matura, ed è per questo che ci sono così tanti finanziamenti e così tanto interesse per svilupparla”, ha detto Gao. “Possiamo produrre batterie di filato, ma possiamo renderle durevoli, affidabili e sicure? Possiamo renderle lavabili? Se hai intenzione di metterlo sul tuo corpo, ci sono così tante altre sfide oltre alle sue funzioni di accumulo di energia. Al momento ci concentriamo sull’aspetto dell’affidabilità, assicurandoci che se giri e muovi il filo funzionerà comunque. Questo, oltre alla sicurezza, sono i problemi principali, e penso che una volta raggiunti questi due amplieremo la portata del loro molte richieste.”
L’articolo “Modellazione di supercondensatori a forma di filato – Svelare il suo output dipendente dalla lunghezza” è pubblicato su Giornale delle fonti di energia. L’articolo è stato scritto in collaborazione da Nanfei He, ricercatore post-dottorato presso NC State, Xi Zhang, ricercatore presso lo Yancheng Institute of Technology, e Junhua Song e Feng Zhao di Storagenergy Technologies, Inc.
Il lavoro è stato svolto con il supporto dell’Ufficio di ricerca dell’esercito americano con la sovvenzione W911NF19C0074 e W911NF18C0086.
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