Fleksibel superkondensator hæver barren for volumetrisk energitæthed

Forskere har taget et stort skridt i retning af at lave en fiberlignende energilagringsenhed, der kan væves ind i tøj og til bærbare medicinske skærme, kommunikationsudstyr eller anden lille elektronik.

Enheden er en superkapacitor - en fætter til batteriet. Denne pakker et indbyrdes forbundet netværk af grafen- og kulstof-nanorør så tæt, at den lagrer energi, der kan sammenlignes med nogle tyndfilmslithium-batterier - et område, hvor batterier traditionelt har haft en stor fordel.

Produktets udviklere, ingeniører og forskere ved Nanyang Technological University (NTU) i Singapore, Tsinghua University i Kina, og Case Western Reserve University i USA, mener, at lagerkapaciteten efter volumen (kaldet volumetrisk energitæthed) er den højeste, der er rapporteret for kulstofbaserede mikroskala-superkapacitorer til dato:6,3 mikrowattimer pr. kubikmillimeter.

Enheden bevarer også fordelen ved at oplade og frigive energi meget hurtigere end et batteri. De fiberstrukturerede hybridmaterialer tilbyder enorme tilgængelige overfladearealer og er meget ledende.

Forskerne har udviklet en måde at kontinuerligt producere den fleksible fiber, gør dem i stand til at skalere produktionen til en række forskellige anvendelser. Til dato, de har lavet 50 meter lange fibre, og ser ingen begrænsninger på længden.

De forestiller sig, at fibersuperkondensatoren kunne væves ind i tøj for at drive medicinsk udstyr til folk derhjemme, eller kommunikationsudstyr til soldater i felten. Eller, de siger, fiberen kunne være en pladsbesparende strømkilde og tjene som "energibærende ledninger" i medicinske implantater.

Yuan Chen, en professor i kemiteknik ved NTU ledede det nye studie, arbejder med Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei og Wenchao Jiang ved NTU; Qiang Zhang ved Tsinghua; og Liming Dai ved Case Western Reserve. Forskerne rapporterer deres forskning i Naturnanoteknologi .

Dai, en professor i makromolekylær videnskab og teknik ved Case Western Reserve og en medforfatter af papiret, forklarede, at de fleste superkapacitorer har høj effekttæthed, men lav energitæthed, hvilket betyder, at de kan oplade hurtigt og give et boost af strøm, men ikke vare længe. Omvendt batterier har høj energitæthed og lav effekttæthed, hvilket betyder, at de kan vare længe, men lever ikke hurtigt en stor mængde energi.

Mikroelektronik til elektriske køretøjer kan drage fordel af energilagringsenheder, der tilbyder høj effekt og høj energitæthed. Derfor arbejder forskere på at udvikle en enhed, der tilbyder begge dele.

For at fortsætte med at miniaturisere elektronik, industrien har brug for små energilagringsenheder med store volumetriske energitætheder.

Efter masse, superkondensatorer kan have sammenlignelig energilagring, eller energitæthed, til batterier. Men fordi de kræver store mængder tilgængeligt overfladeareal til at lagre energi, de har altid haltet dårligt i energitæthed i volumen.

Deres tilgang

For at forbedre energitætheden efter volumen, forskerne designede en hybridfiber.

En opløsning indeholdende syreoxiderede enkeltvæggede nanorør, grafenoxid og ethylendiamin, som fremmer syntese og doper grafen med nitrogen, pumpes gennem et fleksibelt smalt forstærket rør kaldet en kapillarsøjle og opvarmes i en ovn i seks timer.

Plader af grafen, et til et par atomer tykt, og justeret, enkeltvæggede kulstof nanorør samles selv til et indbyrdes forbundet prorous netværk, der løber langs fiberen.

Arrangementet giver enorme mængder tilgængeligt overfladeareal - 396 kvadratmeter pr. Gram hybridfiber - til transport og opbevaring af ladninger.

Men materialerne er tæt pakket i kapillarkolonnen og forbliver sådan, når de pumpes ud, hvilket resulterer i den høje volumetriske energitæthed.

Processen ved hjælp af flere kapillarkolonner gør det muligt for ingeniører at lave fibre kontinuerligt og opretholde en ensartet kvalitet, sagde Chen.

Fundene

Forskerne har lavet fibre så lange som 50 meter og fundet ud af, at de forbliver fleksible med høj kapacitet på 300 Farad per kubikcentimeter.

Ved testning, de fandt ud af, at tre par fibre arrangeret i serie tredoblet spændingen, mens opladnings-/afladningstiden blev holdt den samme.

Tre par fibre parallelt tredoblet udgangsstrømmen og tredoblet opladnings-/afladningstiden, sammenlignet med en enkelt fiber, der drives med samme strømtæthed.

Når de integrerer flere par fibre mellem to elektroder, evnen til at lagre elektricitet, kaldes kapacitans, øges lineært i henhold til antallet af anvendte fibre.

Brug af en polyvinylalkohol/phosphorsyregel som en elektrolyt, en mikrokondensator i fast tilstand fremstillet af et par fibre, der tilbød en volumetrisk tæthed på 6,3 mikrowattimer pr. kubikmillimeter, hvilket kan sammenlignes med et 4-volt-500-mikroampere-timers tyndfilm lithiumbatteri.

Fibersuperkondensatoren viste ultrahøj energitæthedsværdi, samtidig med at den høje effekttæthed og cyklusstabilitet opretholdes.

"Vi har testet fiberenheden til 10, 000 opladnings-/afladningscyklusser, og enheden bevarer omkring 93 procent af sin oprindelige ydeevne, "Sagde Yu, "mens konventionelle genopladelige batterier har en levetid på mindre end 1000 cyklusser."

Holdet testede også enheden til fleksibel energilagring. Enheden blev udsat for konstant mekanisk belastning, og dens ydeevne blev evalueret. "Fiber -superkondensatoren fortsætter med at arbejde uden ydelsestab, selv efter at have bøjet hundredvis af gange, "Sagde Yu.

"Fordi de forbliver fleksible og strukturelt konsistente over deres længde, fibrene kan også væves ind i et krydsningsmønster til tøj til bærbare enheder i smarte tekstiler." sagde Chen.

Sådan beklædning kan drive biomedicinsk overvågningsudstyr, som en patient bærer derhjemme, give oplysninger til en læge på et hospital, Sagde Dai. Vævet i uniformer, the battery-like supercapacitors could power displays or transistors used for communication.

The researchers are now expanding their efforts. They plan to scale up the technology for low-cost, mass production of the fibers aimed at commercializing high-performance micro-supercapacitors.

Ud over, "The team is also interested in testing these fibers for multifunctional applications, including batteries, solceller, biofuel cells, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."