Energilagringsenhed fremstillet på et nanowire-array

Som en levende demonstration af de fremskridt, der gøres med at miniaturisere energilagringsenheder, et team af ingeniører fra Rice University i Houston, Texas, har fremstillet en energilagringsenhed, hvor alle væsentlige komponenter er integreret på en enkelt nanotråd. Nanowire energilagringsenheden kunne give forskere en bedre forståelse af elektrokemi på nanoskala, og med optimering også kunne bruges til at drive nanoelektroniske enheder.

Risingeniører Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, og Pulickel M. Ajayan har offentliggjort deres undersøgelse af nanotrådsenergilagringsenheder i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Vores arbejde her har for første gang demonstreret fremstillingen af ​​alle tre hovedkomponenter i en energilagringsenhed - anode, elektrolyt, og katode - på en enkelt nanotråd, ” fortalte Ajayan PhysOrg.com . "Dette repræsenterer den ultimative form for miniaturisering lovet af nanoteknologi og et fremskridt i fremstillingen af ​​mere komplekse og funktionelle nanotrådsbyggesten til fremtidige nanoteknologiapplikationer."

Forskerne fremstillede først et nyt tyndfilm hybrid elektrokemisk system bestående af en nikkel-tin (Ni-Sn) anode og polyanilin (PANI) katode, som viste god elektrokemisk ydeevne. Som en hybrid elektrokemisk enhed (HED), systemet kombinerer fordelene ved batterier (høj energi) og superkondensatorer (høj effekt) i ét design.

For at fremstille det samme system på et nanowire-array, forskerne brugte nanotrådsskabeloner med porediametre på omkring 200 nm. Efter belægning af porerne med et tyndt kobberlag, forskerne fyldte porerne halvvejs med Ni-Sn for at lave anoden. Derefter udvidede forskerne porerne kemisk for at belægge Ni-Sn med et tyndt lag polyethylenoxid (PEO) elektrolyt, som fungerede som adskiller. Endelig, PANI katoden blev integreret i strukturen ved en infiltrationsproces. Samlet set, hele nanotråden var et par mikrometer lang og havde et samlet areal på omkring 0,5 cm ² .

Forskerne fremstillede flere af disse enheder og arrangerede dem derefter i et parallelt array til test. Ved at oplade og aflade enhederne, forskerne viste, at enhederne generelt har gode opladnings-/afladningsegenskaber, der kunne gøre dem attraktive til at drive nanoelektroniske enheder.

En anden fordel ved nanowire-enhederne er, at deres elektroder ikke indeholder lithium. Selvom lithium er blevet brugt i mange batterier og HED'er, det begrænser energitætheden og er dyrt at fremstille på grund af højtemperatursyntese. I modsætning, de anvendte elektrodematerialer (Ni-Sn og PANI) har den fordel, at de let kan syntetiseres ved stuetemperatur ved hjælp af simple teknikker, gør dem meget billigere.

"Med udviklingen af ​​nanoelektroniske enheder, der kommer et behov for mindre (nano)skala energikilder, " sagde Ajayan. "Med udviklingen af ​​nanoskala strømkilder, sådanne krav kan være opfyldt. Ud over, fremstillingen af ​​sådanne fuldt funktionelle enheder på individuelle nanotråde kunne hjælpe det videnskabelige samfund med yderligere at sondere og bedre forstå elektrokemien på nanoskala-grænseflader. Vores enhed her kunne tjene som et værktøj til at forstå vigtige spørgsmål såsom selvafladning, lækstrømme, og arten af ​​grænseflademodstande i nanoskala energilagringsenheder."

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge måder til yderligere at forbedre nanowire-enhedens ydeevne. For eksempel, ved at optimere tykkelsen af ​​separatorlaget mellem de to elektroder, de håber at minimere den selvafladning, der ofte plager batterier med tynde separatorer, samt forbedre den lave Coulombic effektivitet. Forskerne håber også at øge elektrodelængden ved at bruge forskellige nanotrådsskabeloner, hvilket kan føre til en stigning i enhedens kapacitet pr. arealenhed.

"På dette tidspunkt er det svært at formode de nøjagtige enheder, den kunne bruges til at drive, " sagde Ajayan. "Vi har demonstreret virkemåden af ​​en nanowire array enhed plantet over et geometrisk område på omkring 0,5 cm ² . Enheder i denne skala kan bruges til at drive flere MEMS-enheder. Ultimativt, individuelle nanotrådsbatterier kunne hver forsyne nogle få nanotrådshalvlederenheder, for eksempel.”