Strækbare superkondensatorer til at drive morgendagens bærbare enheder

Forskere ved Duke University og Michigan State University har konstrueret en ny type superkondensator, der forbliver fuldt funktionel, selv når den strækkes til otte gange dens oprindelige størrelse. Den udviser ingen slitage ved at blive strakt gentagne gange og mister kun nogle få procentpoint af energiydelse efter 10, 000 cyklusser med opladning og afladning.

Forskerne forestiller sig, at superkondensatoren er en del af en magtuafhængig, strækbar, fleksibelt elektronisk system til applikationer såsom bærbar elektronik eller biomedicinsk udstyr.

Resultaterne vises online 19. marts i Stof , en journal fra Cell Press. Forskerholdet omfatter seniorforfatter Changyong Cao, adjunkt i emballage, maskinteknik og elektro- og computerteknik ved Michigan State University (MSU), og seniorforfatter Jeff Glass, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. Deres medforfattere er ph.d.-studerende Yihao Zhou og Qiwei Han og forsker Charles Parker fra Duke, samt ph.d. studerende Yunteng Cao fra Massachusetts Institutes of Technology.

"Vores mål er at udvikle innovative enheder, der kan overleve mekaniske deformationer som strækning, vridning eller bøjning uden at miste ydeevne, " sagde Cao, direktør for Laboratoriet for Bløde Maskiner og Elektronik på MSU. "Men hvis strømkilden til en strækbar elektronisk enhed ikke er strækbar, så vil hele enhedssystemet være begrænset til at være ikke-strækbart."

En superkondensator (også nogle gange omtalt som en ultrakondensator) lagrer energi som et batteri, men med nogle vigtige forskelle. I modsætning til batterier, som lagrer energi kemisk og genererer ladninger gennem kemiske reaktioner, en elektrostatisk dobbeltlags superkondensator (EDLSC), lagrer energi gennem ladningsadskillelse og kan ikke skabe sin egen elektricitet. Den skal oplades fra en ekstern kilde. Under opladning, elektroner er bygget op på den ene del af enheden og fjernet fra den anden, så når de to sider er forbundet, elektricitet flyder hurtigt mellem dem.

Også i modsætning til batterier, superkondensatorer er i stand til at aflade deres energi i korte, men massive udbrud, snarere end gennem en lang, langsom rislen. De kan også oplade og aflade meget hurtigere end et batteri og tolerere mange flere opladnings-afladningscyklusser end et genopladeligt batteri. Dette gør dem perfekte til korte, højeffektapplikationer som f.eks. at slukke blitzen i et kamera eller forstærkerne i et stereoanlæg.

Men de fleste superkondensatorer er lige så hårde og skøre som enhver anden komponent på et printkort. Derfor har Cao og Glass brugt år på at arbejde på en strækbar version.

I deres nye avis, forskerne demonstrerer kulminationen af ​​deres arbejde til dette punkt, fremstiller en stempelstørrelse superkondensator, der kan bære mere end to volt. Når du forbinder fire sammen, så mange enheder kræver AA- eller AAA-batterier, superkondensatorerne kunne drive et to-volts Casio-ur i halvanden time.

For at lave de strækbare superkondensatorer, Glass og hans forskerhold dyrker først en kulstof-nanorørskov - en plet af millioner af nanorør på kun 15 nanometer i diameter og 20-30 mikrometer høj - oven på en siliciumwafer. Det er cirka bredden af ​​de mindste bakterier og højden af ​​den dyrecelle, den inficerer.

Forskerne belægger derefter et tyndt lag guld nanofilm oven på kulstofnanorørskoven. Guldlaget fungerer som en slags elektrisk samler, at sænke enhedens modstand en størrelsesorden under tidligere versioner, hvilket gør det muligt for enheden at oplade og aflade meget hurtigere.

Glass afleverer derefter ingeniørprocessen til Cao, som overfører kulstofnanorørskoven til et forstrakt elastomersubstrat med bunden guldsiden nedad. Den gelfyldte elektrode slappes derefter af for at tillade forspændingen at frigive, får den til at skrumpe til en fjerdedel af sin oprindelige størrelse. Denne proces krøller det tynde lag guld og smadrer "træerne" sammen i kulstofnanorørskoven.

"Krumningen øger i høj grad mængden af ​​tilgængeligt overfladeareal på en lille mængde plads, hvilket øger mængden af ​​ladning, den kan holde, " forklarede Glass. "Hvis vi havde al den plads i verden at arbejde med, en flad overflade ville fungere fint. Men hvis vi vil have en superkondensator, der kan bruges i rigtige enheder, vi skal gøre det så lille som muligt."

Den supertætte skov fyldes derefter med en gelelektrolyt, der kan fange elektroner på overfladen af ​​nanorørene. Når to af disse sidste elektroder er klemt tæt sammen, en påført spænding belaster den ene side med elektroner, mens den anden drænes, skabe en opladet super-strækbar superkondensator.

"Vi har stadig noget arbejde at gøre for at bygge et komplet strækbart elektroniksystem, " sagde Cao. "Superkondensatoren, der er demonstreret i dette papir, går endnu ikke så langt, som vi ønsker det. Men med dette fundament af en robust strækbar superkondensator, vi vil være i stand til at integrere det i et system, der består af strækbare ledninger, sensorer og detektorer til at skabe helt strækbare enheder."

Strækbare superkondensatorer, forklarer forskerne, kunne drive nogle futuristiske enheder på egen hånd, eller de kan kombineres med andre komponenter for at overvinde tekniske udfordringer. For eksempel, superkondensatorer kan oplades på få sekunder og derefter langsomt genoplade et batteri, der fungerer som den primære energikilde for en enhed. Denne tilgang er blevet brugt til regenerativ nedbrydning i hybridbiler, hvor energien genereres hurtigere, end den kan lagres. Superkondensatorer øger effektiviteten af ​​hele systemet. Eller som Japan allerede har demonstreret, superkondensatorer kan drive en bus til bypendling, fuldføre en fuld opladning ved hvert stop på den korte tid, det tager at læsse og losse passagerer.

"Mange mennesker ønsker at koble superkondensatorer og batterier sammen, " sagde Glas. "En superkondensator kan oplade hurtigt og overleve tusindvis eller endda millioner af opladningscyklusser, mens batterier kan opbevare mere ladning, så de kan holde længe. At sætte dem sammen giver dig det bedste fra begge verdener. De udfylder to forskellige funktioner inden for det samme elektriske system."