Un nuevo tipo de supercondensador ultrapequeño demuestra capacidades notables de almacenamiento de energía y una revolución potencial en las fuentes de alimentación de dispositivos. Los investigadores han desarrollado un supercondensador ultrapequeño que supera a todos los modelos actualmente disponibles comercialmente en términos de capacidad de almacenamiento y compacidad. Su diseño combina transistores de efecto de campo con capas de disulfuro de molibdeno y grafeno para aumentar la capacitancia en un impresionante 3000% bajo ciertas condiciones.
Investigadores del Departamento de Física Instrumental y Aplicada (IAP) del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han diseñado un nuevo tipo de supercondensador ultramicro, un dispositivo diminuto capaz de almacenar grandes cantidades de carga eléctrica. Es más pequeño y compacto que los supercondensadores existentes y podría usarse en dispositivos que van desde alumbrado público hasta electrónica de consumo, vehículos eléctricos y equipos médicos.
Actualmente, la mayoría de estos dispositivos funcionan con baterías. Sin embargo, con el tiempo, estas baterías pierden su capacidad de almacenar carga y, por tanto, tienen una vida útil limitada. Los condensadores, en virtud de su diseño, pueden almacenar carga durante períodos de tiempo más largos. Por ejemplo, un condensador que funciona a 5 voltios seguirá funcionando con el mismo voltaje diez años después. Pero a diferencia de las baterías, los supercondensadores no pueden descargarse continuamente, como ocurre para alimentar un teléfono móvil.
Los supercondensadores, por otro lado, combinan las ventajas de las baterías y los condensadores y pueden almacenar y liberar grandes cantidades de energía, lo que los hace populares en los dispositivos electrónicos de próxima generación.
En el estudio, publicado recientemente en ACSE Energy Letters, los investigadores crearon su supercondensador utilizando transistores de efecto de campo (FET) como colectores de carga en lugar de los electrodos metálicos utilizados en los condensadores existentes. "El uso de transistores de efecto de campo como electrodos en supercondensadores es una nueva forma de ajustar la carga del condensador", dijo Abha Misra, profesor del IAP y autor correspondiente del estudio.
Innovaciones en el diseño de condensadores
Los condensadores actuales suelen utilizar electrodos a base de óxido metálico, pero están limitados por la baja movilidad de los electrones. Entonces Misra y su equipo decidieron crear transistores híbridos de efecto de campo hechos de alternar capas de disulfuro de molibdeno (MoS2) y grafeno de unos pocos átomos de espesor para aumentar la movilidad de los electrones, que luego se conectaron a contactos de oro. Se utiliza un electrolito de gel sólido entre dos electrodos FET para construir un supercondensador de estado sólido. Toda la estructura está construida sobre un sustrato de sílice/silicio.
"El diseño es la parte clave porque estás integrando dos sistemas, que son dos electrodos de transistores de efecto de campo y un electrolito de gel (un medio iónico), que tienen diferentes capacidades de carga", dijo Misra. Vinod Panwar, uno de los autores principales del estudio y estudiante de doctorado en IAP, añadió que fabricar un dispositivo de este tipo para obtener todas las propiedades deseables de un transistor es un desafío. Debido a que estos supercondensadores son tan pequeños, no se pueden ver sin un microscopio y el proceso de fabricación requiere alta precisión y coordinación ojo-mano.
Desempeño y planes futuros
Después de crear el supercondensador, los investigadores midieron la capacitancia electroquímica del dispositivo, o capacidad de retención de carga, aplicando varios voltajes. Descubrieron que la capacidad aumentaba un 3.000% en determinadas condiciones. En comparación, un condensador que contenía sólo MoS2 sin grafeno sólo aumentó su capacidad en un 18% en las mismas condiciones.
En el futuro, los investigadores planean explorar si reemplazar el MoS2 por otros materiales puede mejorar aún más la capacidad de almacenamiento de los supercondensadores. Agregaron que su supercondensador es completamente funcional y puede usarse en dispositivos de almacenamiento de energía como baterías de vehículos eléctricos o en cualquier sistema miniaturizado mediante integración en chip. También planean patentar el supercondensador.