Candy cane supercapacitor kunne muliggøre hurtig opladning af mobiltelefoner

Superkondensatorer lover genopladning af telefoner og andre enheder på sekunder og minutter i modsætning til timer for batterier. Men de nuværende teknologier er normalt ikke fleksible, har utilstrækkelig kapacitet, og for mange forringes deres ydeevne hurtigt med opladningscyklusser.

Forskere ved Queen Mary University of London (QMUL) og University of Cambridge har fundet en måde at forbedre alle tre problemer på i et slag.

Deres prototype polymerelektrode, som ligner en slikstang, der normalt hænger på et juletræ, opnår energilagring tæt på den teoretiske grænse, men demonstrerer også fleksibilitet og modstandsdygtighed over for opladnings-/afladningscykler.

Teknikken kan anvendes på mange typer materialer til superkondensatorer og muliggør hurtig opladning af mobiltelefoner, smart tøj og implanterbare enheder.

Forskningen blev offentliggjort i ACS Energibreve .

Løsningen

Pseudocapacitans er en egenskab ved polymer- og komposit-superkondensatorer, der tillader ioner at trænge ind i materialet og dermed pakke meget mere ladning end kulstof, der for det meste lagrer ladningen som koncentrerede ioner (i det såkaldte dobbeltlag) nær overfladen.

Problemet med polymer superkondensatorer, imidlertid, er, at de ioner, der er nødvendige for disse kemiske reaktioner, kun kan få adgang til de øverste få nanometer under materialets overflade, efterlader resten af ​​elektroden som dødvægt. At dyrke polymerer som nanostrukturer er en måde at øge mængden af ​​tilgængeligt materiale nær overfladen, men det kan være dyrt svært at skalere op, og resulterer ofte i dårlig mekanisk stabilitet.

Forskerne, imidlertid, har udviklet en måde at sammenvæve nanostrukturer i et bulkmateriale, derved opnås fordelene ved konventionel nanostrukturering uden at bruge komplekse syntesemetoder eller at ofre materialets sejhed.

Projektleder, Stoyan Smoukov, forklarede:"Vores superkondensatorer kan lagre meget ladning meget hurtigt, fordi det tynde aktive materiale (den ledende polymer) altid er i kontakt med en anden polymer, som indeholder ioner, ligesom de røde tynde områder af en slikstang altid er i umiddelbar nærhed af de hvide dele. Men dette er i meget mindre skala.

"Denne gennemtrængende struktur gør det muligt for materialet at bøje lettere, samt svulme og krympe uden at revne, fører til længere levetid. Denne ene metode er som at dræbe ikke bare to, men tre fluer med et smæk."

Resultaterne

Smoukov-gruppen havde tidligere været banebrydende for en kombinatorisk vej til multifunktionalitet ved hjælp af interpenetrerende polymernetværk (IPN), hvor hver komponent ville have sin egen funktion, i stedet for at bruge trial-and-error kemi til at passe alle funktioner i ét molekyle.

Denne gang brugte de metoden til energilagring, specielt superkondensatorer, på grund af det kendte problem med dårlig materialeudnyttelse dybt under elektrodeoverfladen.

Denne interpenetrationsteknik øger materialets overfladeareal drastisk, eller mere præcist grænsefladeområdet mellem de forskellige polymerkomponenter.

Interpenetration sker også for at løse to andre store problemer i superkondensatorer. Det giver fleksibilitet og sejhed, fordi grænsefladerne stopper væksten af ​​eventuelle revner, der kan dannes i materialet. Det tillader også de tynde områder at svulme og krympe gentagne gange uden at udvikle store spændinger, så de er elektrokemisk resistente og bevarer deres ydeevne over mange opladningscyklusser.

Forskerne er i øjeblikket ved at designe og evaluere en række materialer, der kan tilpasses det interpenetrerende polymersystem til endnu bedre superkondensatorer.

I en kommende anmeldelse, accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Sustainable Energy and Fuels, de giver en oversigt over de forskellige teknikker, folk har brugt til at forbedre de mange parametre, der kræves til nye superkondensatorer.

Sådanne enheder kunne fremstilles i bløde og fleksible fritstående film, som kunne drive elektronik indlejret i smart tøj, bærbare og implanterbare enheder, og blød robotik. Udviklerne håber at give deres bidrag til at levere allestedsnærværende kraft til de nye Internet of Things (IoT) enheder, hvilket stadig er en væsentlig udfordring forude.