Bärbara elektroniska apparater för hälso- och fitnessövervakning är ett snabbt växande område inom konsumentelektronik; en av deras största begränsningar är deras små batteriers kapacitet att leverera tillräckligt med ström för att överföra data. Nu, forskare vid MIT och i Kanada har hittat ett lovande nytt tillvägagångssätt för att leverera de korta men intensiva utbrott av kraft som behövs för så små enheter.

Nyckeln är ett nytt tillvägagångssätt för att göra superkondensatorer - enheter som kan lagra och släppa ut elkraft i sådana utbrott, som behövs för korta överföringar av data från bärbara enheter som pulsmätare, datorer, eller smartphones, säger forskarna. De kan också vara användbara för andra applikationer där hög effekt behövs i små volymer, som autonoma mikroroboter.

Den nya metoden använder garn, tillverkad av nanotrådar av elementet niob, som elektroderna i små superkondensatorer (som i huvudsak är par av elektriskt ledande fibrer med en isolator mellan). Konceptet beskrivs i ett papper i tidningen ACS -tillämpade material och gränssnitt av MIT -professor i maskinteknik Ian W. Hunter, doktorand Seyed M. Mirvakili, och tre andra vid University of British Columbia.

Nanotekniska forskare har arbetat med att öka prestanda för superkondensatorer under det senaste decenniet. Bland nanomaterial, kolbaserade nanopartiklar-som kolnanorör och grafen-har visat lovande resultat, men de lider av relativt låg elektrisk konduktivitet, Säger Mirvakili.

I detta nya arbete, han och hans kollegor har visat att önskvärda egenskaper för sådana enheter, såsom hög effekttäthet, inte är unika för kolbaserade nanopartiklar, och att niobium nanotrådgarn är ett lovande alternativ.

"Tänk dig att du har något slags bärbart hälsoövervakningssystem, "Hunter säger, "och det måste sända data, till exempel med Wi-Fi, över en lång sträcka. "För tillfället, myntstora batterier som används i många små elektroniska enheter har mycket begränsad förmåga att leverera mycket kraft på en gång, vilket är vad sådana dataöverföringar behöver.

"Långväga Wi-Fi kräver en hel del ström, säger Hunter, George N. Hatsopoulos professor i termodynamik vid MIT:s avdelning för maskinteknik, "men det kanske inte behövs så länge." Små batterier är i allmänhet dåligt lämpade för sådana energibehov, han lägger till.

"Vi vet att det är ett problem som ett antal företag upplever inom hälsoövervakning eller träningsövervakning. Så ett alternativ är att gå till en kombination av ett batteri och en kondensator, "Hunter säger:batteriet för lång sikt, lågeffektsfunktioner, och kondensatorn för korta utbrott av hög effekt. En sådan kombination bör antingen kunna öka enhetens räckvidd, eller - kanske viktigare på marknaden - att avsevärt minska storlekskraven.

Den nya nanotrådbaserade superkondensatorn överstiger prestanda för befintliga batterier, samtidigt som den upptar en mycket liten volym. "Om du har en Apple Watch och jag rakar 30 procent av massan, du kanske inte ens märker det, "Säger Hunter." Men om du sänker volymen med 30 procent, det skulle vara en stor grej, "säger han:Konsumenterna är mycket känsliga för storleken på bärbara enheter.

Innovationen är särskilt viktig för små enheter, Hunter säger, eftersom andra energilagringstekniker-som bränsleceller, batterier, och svänghjul - tenderar att vara mindre effektiva, eller helt enkelt för komplex för att vara praktisk när den reduceras till mycket små storlekar. "Vi är på en söt plats, " han säger, med en teknik som kan leverera stora utbrott av ström från en mycket liten enhet.

Helst, Hunter säger, det vore önskvärt att ha en hög volymetrisk effekttäthet (mängden effekt lagrad i en given volym) och hög volymetrisk energitäthet (energimängden i en given volym). "Ingen har kommit på hur man gör det, "säger han. Men med den nya enheten, "Vi har ganska hög volymetrisk effekttäthet, medel energitäthet, och en låg kostnad, "En kombination som kan vara väl lämpad för många applikationer.

Niob är ett ganska rikligt och mycket använt material, Mirvakili säger, så hela systemet ska vara billigt och enkelt att producera. "Tillverkningskostnaden är billig, "säger han. Andra grupper har tillverkat liknande superkondensatorer med hjälp av kolnanorör eller andra material, men niobiumgarnen är starkare och 100 gånger mer ledande. Övergripande, niob-baserade superkondensatorer kan lagra upp till fem gånger så mycket effekt i en given volym som kolnanorörsversioner.

Niob har också en mycket hög smältpunkt - nästan 2, 500 grader Celsius-så enheter tillverkade av dessa nanotrådar kan eventuellt vara lämpliga för användning i applikationer med hög temperatur.

Dessutom, materialet är mycket flexibelt och kan vävas in i tyger, möjliggör bärbara former; enskilda niobium -nanotrådar är bara 140 nanometer i diameter - 140 miljardels meter över, eller ungefär en tusendel bredden på ett människohår.

Än så länge, materialet har producerats endast i laboratorieskala enheter. Nästa steg, redan på gång, är att ta reda på hur man utformar en praktisk, lätt tillverkad version, säger forskarna.

"Arbetet är mycket viktigt i utvecklingen av smarta tyger och framtida bärbara tekniker, "säger Geoff Spinks, professor i teknik vid University of Wollongong, i Australien, som inte var associerad med denna forskning. Detta papper, han lägger till, "visar på ett övertygande sätt imponerande prestanda hos niob-baserade fiber-superkondensatorer."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.