Candy cane polymer vævning kan drive fremtidige funktionelle stoffer og enheder

Hvis forskere nogensinde vil leve op til løftet om implanterbare kunstige organer eller tøj, der tørrer sig selv, de skal først løse problemet med ufleksible batterier, der løber tør for juice for hurtigt. De kommer tættere på, og i dag rapporterer forskere, at de har udviklet et nyt materiale ved at væve to polymerer sammen på en måde, der øger oplagringskapaciteten betydeligt.

Forskerne vil præsentere deres arbejde i dag på det 255. nationale møde og udstilling af American Chemical Society (ACS).

"Vi havde udviklet polymernetværk til en anden applikation, der involverer aktivering og taktil sansning, "Tiesheng Wang siger." Efter projektet, vi indså, at den strækbare, bøjeligt materiale, vi havde lavet, kunne muligvis bruges til energilagring. "

Batterier, specifikt lithium-ion batterier, dominerer energilagringslandskabet. Imidlertid, de kemiske reaktioner, der ligger til grund for opladnings- og afladningsprocessen i batterier, er langsomme, begrænser, hvor meget strøm de kan levere. Plus, batterier har en tendens til at nedbrydes over tid, kræver udskiftning. En alternativ energilagringsenhed, superkondensatoren, oplader hurtigt og genererer alvorlig strøm, som potentielt kan tillade elbiler at accelerere hurtigere, blandt andre applikationer. Plus, superkondensatorer lagrer energi elektrostatisk, ikke kemisk, hvilket gør dem mere stabile og langtidsholdbare end mange batterier. Men nutidens kommercielt tilgængelige superkapacitorer kræver bindemidler og har lav energitæthed, begrænse deres anvendelse i fremvoksende elektronik, hvor som helst.

Wang, en kandidatstuderende i laboratoriet i Stoyan Smoukov, Ph.d., ved University of Cambridge (U.K.) mistanke om, at et fleksibelt ledende polymerbaseret materiale fra et andet projekt, de arbejdede på, kunne være et bedre alternativ. Ledende polymerer, såsom poly (3, 4-ethylendioxythiophen) (PEDOT), er kandidat-superkapacitorer, der har fordele frem for traditionelle kulstofbaserede superkapacitorer som oplagringsmaterialer. De er pseudokapacitive, hvilket betyder, at de tillader reversible elektrokemiske reaktioner, og de er også kemisk stabile og billige. Imidlertid, ioner kan kun trænge ind i polymererne et par nanometer dybe, efterlader meget af materialet som egenvægt. Forskere, der arbejder på at forbedre ionmobilitet, havde tidligere udviklet nanostrukturer, der deponerer tynde lag af ledende polymerer oven på støttematerialer, hvilket forbedrer superkapacitorens ydeevne ved at gøre mere af polymeren tilgængelig for ionerne. Ulempen, ifølge Wang, er, at disse nanostrukturer kan være skrøbelige, svært at gøre reproducerbart, når den skaleres op og har dårlig elektrokemisk stabilitet, begrænser deres anvendelighed.

Så, Smoukov og Wang udviklede et mere robust materiale ved at væve en ledende polymer sammen med en ionopbevaringspolymer. De to polymerer blev syet sammen for at danne en slikstoklignende geometri, hvor den ene polymer spiller rollen som den hvide stribe og den anden, rød. Mens PEDOT leder elektricitet, den anden polymer, poly (ethylenoxid) (PEO), kan gemme ioner. Den sammenvævede geometri er medvirkende til energilagringsfordelene, Wang siger, fordi det giver ionerne adgang til mere af materialet generelt, nærmer sig den "teoretiske grænse."

Når testet, candy cane superkapacitor viste forbedringer i forhold til PEDOT alene med hensyn til fleksibilitet og cykelstabilitet. Det havde også næsten det dobbelte af den specifikke kapacitans sammenlignet med konventionelle PEDOT-baserede superkapacitorer.

Stadig, der er plads til forbedringer, Siger Smoukov. "I fremtidige forsøg, vi vil erstatte polyanilin med PEDOT for at øge kapacitansen, "siger han." Polyanilin, fordi den kan lagre mere ladning pr. masseenhed, potentielt kunne lagre tre gange så meget elektricitet som PEDOT for en given vægt. "Det betyder, at lettere batterier med samme energilagring kan oplades hurtigere, hvilket er en vigtig overvejelse i udviklingen af ​​nye wearables, robotter og andre enheder.