Google Glass og Apple iWatch inspirerer til kulstof nanorør-fiberbatterier

(Phys.org) —Hvis det nyligt udgivne Google Glass og snart-tilgængelige Apple iWatch er nogen indikation, bærbar elektronik kan være fremtidens næste store bølge. Selvom de tilbyder nogle banebrydende funktioner, fra hoveddisplays til biomedicinsk overvågning, den største flaskehals for bærbare teknologier er nok batteriet. Ikke kun skal batterierne være meget små og lette, men de skal også være kraftige nok til at imødekomme energibehovet i enhedernes mange funktioner.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , forskere Wei Weng, et al., på Fudan University i Shanghai, Kina, har tacklet strømproblemet ved at designe og fremstille carbon nanorør (CNT) kompositgarn, der er viklet på en bomuldsfiber for at skabe et højtydende Li-ion batteri. Fibrene, som har en diameter på ca. 1 mm, kan derefter væves til fleksibelt tekstil, eller klud, og let indbygget i fleksibel bærbar elektronik.

"En strømkilde, der kan integreres direkte og problemfrit med den bærbare elektronik, er stærkt nødvendig, " fortalte Weng Phys.org . "Derfor, en strømkilde i fiberform ønskes, fordi den er fleksibel og let væves ind i et tekstil. Vi fremstillede et fiber fuldt Li-ion batteri baseret på kulstof nanorørfibre for første gang, og fiberbatteriet kan nemt væves ind i et energitekstil med høj ydeevne."

Selvom dette er den første realisering af dette CNT fiber Li-ion batteri, det udviser meget gode elektrokemiske egenskaber, inklusive en høj energitæthed (0,75 mWh/cm) og evnen til at bevare 87 % af sin kapacitet efter 100 cyklusser.

En af de største udfordringer ved at designe Li-ion batterifibre er at håndtere det almindeligt kendte siliciumekspansionsproblem. Under de kemiske reaktioner, der opstår under opladning/afladningsprocessen, silicium gennemgår en stor volumenændring på op til 300%. For at imødekomme ændringen af ​​siliciumvolumen, forskerne indarbejdede CNT'er til at lave en sammensat CNT/siliciumgarnanode. CNT'erne buffer effektivt volumenændringen af ​​silicium og klemmer silicium ned på plads. Uden denne hybride struktur, siliciumets ekspansion får det til at skalle af, beskadige batteriet.

For katoden, forskerne brugte CNT'er og lithiummanganit, som har fordele, herunder høj stabilitet, høj arbejdsspænding, og lave omkostninger. Ved at vikle de CNT-baserede anode- og katodegarner - adskilt af en gelelektrolyt - på en bomuldsfiber for at lave et Li-ion-batteri, og derefter væve Li-ion-batterierne til et fleksibelt tekstil, forskerne demonstrerede muligheden for at fremstille et CNT-fiber Li-ion-batteri.

Tidligere, der er blevet gjort forsøg på at fremstille superkondensatorfibre, men der er ikke givet meget opmærksomhed til Li-ion batterifibre på grund af deres vanskelige fremstilling. Imidlertid, Li-ion batterier har visse fordele, såsom højere energitætheder og lavere selvafladningstab, sammenlignet med superkondensatorer, så de giver den bedre mulighed for bærbar elektronik generelt. Som Weng forklarer, det nuværende arbejde forbedrer tidligere forskning på dette område, men der er stadig plads til yderligere forbedringer.

"Et Li-ion-batteri med en lignende form (kabel-type) blev rapporteret i 2012 med kobbertråd som skelet, " sagde han. "Resultatet er vidunderligt, men måske ikke egnet til at blive vævet ind i et energitekstil. Batteriet har en stor diameter, bruger flydende elektrolyt og er tung. Her, vi bruger carbon nanorørfiber som skelettet, hvis tæthed er næsten 1/9 af kobberet, og vi bruger gelelektrolyt for at garantere sikkerheden. Også den sammensatte garnanode og katode lavet af carbon nanorørfiber og aktive materialer har en lille diameter på 100 µm, hvilket kun er 1/10 af anoden i kabelbatteriet. Derfor, vores fiberbatteri er kompatibelt med polymerfibre, som bruges til at lave tøj og også opnåede en høj ydeevne."

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre fiberbatterierne yderligere på en række områder.

"For det første, vi ønsker at forbedre ydeevnen, såsom kapacitet og cykluslevetid, " sagde Weng. "For det andet, vi ønsker storproduktion. For det tredje, andre funktioner vil blive kombineret, f.eks., strækbar, allokroisk [farveskiftende], og selvdrevet."

© 2014 Phys.org