Forskere udvikler solid-state, fritstående carbon nanofiber superkondensator

En gruppe Drexel University-forskere har skabt en stoflignende materialeelektrode, der kunne hjælpe med at gøre energilagringsenheder - batterier og superkondensatorer - hurtigere og mindre modtagelige for lækager eller katastrofale nedsmeltninger. Deres design til en ny superkondensator, som ligner en lodnet svamp tilsat gelatine, tilbyder et unikt alternativ til den brændbare elektrolytopløsning, der er en almindelig komponent i disse enheder.

Elektrolytvæsken inde i både batterier og superkondensatorer kan være ætsende eller giftig og er næsten altid brandfarlig. For at holde trit med vores avancerede mobilteknologi, energilagringsenheder har været udsat for materialekrympning i designprocessen, hvilket har gjort dem sårbare over for kortslutning – som i de seneste tilfælde med Samsungs Galaxy Note-enheder – som, når det er blandet med tilstedeværelsen af ​​en brændbar elektrolytvæske, kan skabe en eksplosiv situation.

Så i stedet for en brændbar elektrolytopløsning, enheden designet af Vibha Kalra, PhD, en professor ved Drexel's College of Engineering, og hendes hold, brugt en tyk ionrig gelelektrolyt absorberet i en fritstående måtte af porøse kulstofnanofibre til at producere en væskefri enhed. Gruppen, som omfattede Kalras ph.d.-assistent Sila Simotwo og tempelforskere Stephanie L.Wunder, PhD, og Parameswara Chinnam, PhD, offentliggjorde for nylig sit nye design for en "solvent-fri solid-state supercapacitor" i American Chemical Society journal Anvendte materialer og grænseflader .

"Vi har fuldstændig elimineret den komponent, der kan gå i brand i disse enheder, " sagde Kalra. "Og, derved, vi har også skabt en elektrode, der kunne gøre det muligt for energilagringsenheder at blive lettere og bedre."

Superkondensatorer er en anden type energilagringsenhed. De ligner batterier, ved at de elektrostatisk holder og frigiver energi, men i vores teknologi – mobile enheder, bærbare computere, elbiler - de har en tendens til at tjene som en strøm backup, fordi de kan udbetale deres lagrede energi i en hurtig spurt, i modsætning til batterier, der gør det over længere tids brug. Men, som batterier, superkondensatorer bruger en brændbar elektrolytopløsning, som følge heraf er de sårbare over for lækage og brande.

Ikke alene er gruppens superkondensator fri for opløsningsmidler - hvilket betyder, at den ikke indeholder brændbar væske - men det kompakte design er også mere holdbart, og dens energilagringskapacitet og opladnings-afladningslevetid er bedre end sammenlignelige enheder, der bruges i øjeblikket. Den er også i stand til at fungere ved temperaturer så høje som 300 grader Celsius, hvilket betyder, at det ville gøre mobile enheder meget mere holdbare og mindre tilbøjelige til at blive en brandfare på grund af misbrug.

"For at tillade industrielt relevant elektrodetykkelse og belastning, vi har udviklet en kludlignende elektrode sammensat af nanofibre, der giver en veldefineret tredimensionel åben porestruktur for nem infusion af den faste elektrolyt-precursor, "Kalra sagde. "Den åbne pore elektrode er også fri for bindemidler, der fungerer som isolatorer og forringer ydeevnen."

Nøglen til at producere denne holdbare enhed er en fiberlignende elektroderamme, som holdet skabte ved hjælp af en proces kaldet elektrospinning. Processen afsætter en kulstofprækursorpolymeropløsning i form af en fibrøs måtte ved at ekstrudere den gennem et roterende elektrisk felt - en proces, der, på mikroskopisk niveau, ligner noget at lave candy.

Ionogelen absorberes derefter i kulfibermåtten for at skabe et komplet elektrode-elektrolyt-netværk. Dens fremragende ydeevneegenskaber er også knyttet til denne unikke måde at kombinere elektrode- og elektrolytløsninger på. Dette skyldes, at de får kontakt over et større overfladeareal.

Hvis du tænker på en energilagringsenhed som en skål med cornflakes, så er det sted, hvor energilagring sker, nogenlunde der, hvor flagerne møder mælken - videnskabsmænd kalder dette det "elektriske dobbeltlag." Det er her den ledende elektrode, der lagrer elektricitet, møder elektrolytopløsningen, der bærer den elektriske ladning. Ideelt set i din kornskål, mælken ville trænge igennem alle flagerne for at få den helt rigtige belægning på hver - ikke for sprød og ikke for blød. Men nogle gange bliver kornene hobet op, og mælken – eller elektrolytopløsningen, i tilfælde af vores sammenligning – når det ikke hele vejen igennem, så flagerne på toppen er tørre, mens flagerne på bunden er mættede. Dette er ikke en god skål korn, og dets elektrokemiske ækvivalent - en elektrontrafikprop på vej til aktiveringssteder i elektroden - er ikke ideel til energilagring.

Kalras solid-state superkondensator er som at lægge strimlet hvede i skålen, i stedet for cornflakes. Den åbne arkitektur lader mælken trænge igennem og overtrække kornet, meget ligesom ionogelen gennemtrænger kulfibermåtten i Kalras solid-state superkondensator. Måtten giver et større overfladeareal for ioner fra ionogelen for at få adgang til elektroden, hvilket øger kapaciteten og forbedrer energilagringsenhedens ydeevne. Det eliminerer også behovet for mange af de stilladsmaterialer, der er væsentlige dele af dannelsen af ​​den fysiske elektrode, men spiller ikke en rolle i energilagringsprocessen og bidrager en god del til enhedens samlede vægt.

"State of the art elektroder er sammensat af fine pulvere, der skal blandes med bindemidler og laves til en opslæmning, som derefter påføres enheden. Disse bindemidler tilføjer egenvægt til enheden, da de ikke er ledende materialer, og de hæmmer faktisk dens ydeevne, " sagde Kalra. "Vores elektroder er fritstående, dermed eliminerer behovet for bindemidler, hvis forarbejdning kan stå for så meget som 20 procent af omkostningerne ved at fremstille en elektrode."

Det næste skridt for Kalras gruppe vil være at anvende denne teknik til produktion af solid-state batterier samt udforske dens anvendelse til smarte stoffer.