Ny mikro-supercapacitor-struktur inspireret af bladenes indviklede design

Der var en tid under den tidlige udvikling af bærbar elektronik, hvor den største hindring at overvinde var at gøre enheden lille nok til at blive betragtet som bærbar. Efter opfindelsen af ​​mikroprocessoren i begyndelsen af ​​1970'erne, miniature, bærbar elektronik er blevet dagligdag, og lige siden den næste udfordring har været at finde en lige så lille og pålidelig strømkilde. Kemiske batterier lagrer meget energi, men kræver lang tid, før den energi oplades og aflades, og har en begrænset levetid. Kondensatorer oplades hurtigt, men kan ikke opbevare nok ladning til at fungere længe nok til at være praktisk. En mulig løsning er noget, der kaldes en solid-state micro-supercapacitor (MSC). Superkondensatorer er bevæbnet med kraften fra et batteri og kan også opretholde denne strøm i en længere periode. Forskere har tidligere forsøgt at oprette MSC'er ved hjælp af forskellige hybrider af metaller og polymerer, men ingen var egnede til praktisk brug. I nyere forsøg med grafen og kulstof nanorør til at lave MSC'er, resultaterne var ligeledes mangelfulde.

Et internationalt forskerteam ledet af Young Hee Lee, herunder videnskabsmænd fra Center for Integrated Nanostructure Physics ved Institute for Basic Science (IBS) og Institut for Energividenskab ved Sungkyunkwan University i Sydkorea, har udtænkt en ny teknik til at skabe en MSC, der ikke har manglerne fra tidligere forsøg, men i stedet leverer høj elektrokemisk ydeevne.

Når man designer noget nyt og komplekst, nogle gange er den bedste inspiration en, der allerede findes i naturen. Holdet modellerede deres MSC-filmstruktur på naturlige veneteksturerede blade for at drage fordel af de naturlige transportveje, som muliggør effektiv iondiffusion parallelt med grafenplanerne, der findes i dem.

For at skabe denne finale, effektiv form, holdet lagde en grafen-hybridfilm med kobberhydroxidnanotråde. Efter mange skiftende lag opnåede de den ønskede tykkelse, og tilsat en syreopløsning for at opløse nanotrådene, så en tynd film med nano-indtryk var det eneste, der var tilbage.

For at fremstille MSC'erne blev filmen påført et plastiklag med tynd, ~5μm lange parallelle guldstrimler placeret ovenpå. Alt, der ikke var dækket af guldstrimlerne, blev kemisk ætset væk, så kun guldstrimlerne oven på et lag film var tilbage. Guldkontaktpuder vinkelret på guldstrimlerne blev tilføjet, og en ledende gel fyldt i de resterende mellemrum og fik lov til at størkne. Når det er skrællet af plastlaget, de færdige MSC'er ligner klar tape med guldledninger på modsatte sider.

Holdet producerede fantastiske testresultater. Ud over dens overlegne energitæthed, filmen er meget fleksibel og øger faktisk kapacitansen efter første brug. Den volumetriske energitæthed var 10 gange højere end i øjeblikket tilgængelige kommercielle superkondensatorer og også langt bedre end enhver anden nyere forskning. MSC'erne viser elektriske egenskaber omkring fem størrelsesordener højere end tilsvarende lithium-batterier og kan sammenlignes med eksisterende, større superkondensatorer. Ifølge Lee, "Så vidt vi ved, den volumetriske energitæthed og den maksimale volumetriske effekttæthed i vores arbejde er de højeste værdier blandt alle kulstofbaserede solid-state MSC'er rapporteret til dato."

I fremtiden, forbrugere vil sandsynligvis forsyne deres enheder med MSC'er i stedet for batterier. Anvendelser til lys, pålidelig energilagring kombineret med lang levetid og hurtig opladning/afladningstid. Holdets MSC'er kunne indlejres i en elektronisk kredsløbschip som strømkilder til praktiske anvendelser såsom implanterbart medicinsk udstyr, aktive radiofrekvensidentifikationsmærker, og mikrorobotter. Hvis ingeniører udnytter materialets utrolige fleksibilitet, disse MSC'er kunne bruges i bærbare, strækbar, og endda bærbare elektroniske enheder.