Wafertyndt materiale varsler fremtiden for bærbar teknologi

UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) har med succes været banebrydende for en måde at konstruere en fleksibel, sammenfoldelig og let energilagringsenhed, der udgør byggestenene til næste generations batterier, der er nødvendige for at forsyne bærbar elektronik og implanterbart medicinsk udstyr.

De gådeforskere har stået over for i udviklingen af ​​miniature energilagringsenheder, såsom batterier og superkapacitorer, har fundet ud af, hvordan man kan øge enhedens overfladeareal, at opbevare mere ladning, uden at gøre den større.

"Blandt alle moderne elektroniske enheder, bærbar elektronik er noget af det mest spændende, " ISEM PhD-studerende Monirul Islam sagde. "Men den største udfordring er at oplade lager i et lille volumen samt at være i stand til at levere den opladning hurtigt på efterspørgsel."

For at løse dette problem, et hold ph.d.-studerende, ledet af Dr. Konstantin Konstantinov under protektion af ISEM-direktør professor Shi Xue Dou og med støtte fra professor Hua Kun Liu, lederen af ​​ISEM Energy Storage Division, har udviklet en tredimensionel struktur ved hjælp af en flad-pack selvsamling af tre komponenter:grafen, en ledende polymer og carbon nanorør, som er atomtykke gitterlignende netværk af kulstof dannet til cylindre.

Det såkaldte vidundermateriale grafen, lavet af enkelte atomtykke lag af grafit, var en passende kandidat på grund af dens elektroniske ydeevne og mekaniske styrke.

"Vi vidste i teorien, at hvis du kan lave en slags kulstofskelet, har du et større overfladeareal og større overfladeareal betyder mere ladning, " Dr. Konstantinov sagde. "Hvis vi effektivt kunne adskille lagene af kulstof, kunne vi derefter bruge begge overflader af hvert lag til ladningsakkumulering. Problemet vi stod over for var, at fremstilling af disse 3D-former i praksis, ikke bare teori, er en udfordring, hvis ikke umulig opgave. "

Løsningen var at fladpakke komponenterne ved at bygge 3D-formen lag for lag, meget som en miniatureøvelse i kagepynt. Grafenen i flydende form blev blandet med den ledende polymer og reduceret til fast, og kulstofnanorørene blev forsigtigt indsat mellem grafenlagene for at danne en selvsamlet fladpakket, wafertyndt superkondensator materiale.

"Den virkelige udfordring var, hvordan man samler disse tre komponenter til en enkelt struktur med den bedste udnyttelse af den tilgængelige plads, "Ph.d. -studerende Monirul Islam sagde." At få proportionerne eller forholdene mellem komponenterne korrekt for at opnå et kompositmateriale med maksimal energilagringsydelse var en anden udfordring. "

Forkerte proportioner af begge ingredienser resulterer i et klumpet rod, eller en 3D -form, der ikke er stærk nok til at bevare den nødvendige fleksibilitet samt opbevaringskapaciteten. Der er også elegance i enkeltheden af ​​holdets design:forskerne spredte komponenterne i flydende krystallinsk, som muliggjorde naturlige kemiske interaktioner for at forhindre, at grafenlagene klumpede sammen.

Resultatet blev en 3D-form med, takket være carbon nanorørene, en massiv overflade, fremragende ladekapacitet, der også er foldbar. Det kan også fremstilles billigt og nemt uden behov for dyre vakuumkamre eller sofistikeret udstyr.

"Vores grafen-baserede, fleksibel komposit er meget ledende, letvægts, er i stand til at folde som en rulle eller stable som et papir i elektroniske enheder for at opbevare en enorm mængde ladning, Monirul sagde. "Dette materiale kan gemme ladning på et sekund og levere ladningen i superhurtig hastighed og vil være lettere end traditionelle batterier, der bruges i nutidens elektronik."

ISEM-undersøgelsen er blevet økonomisk støttet af Automotive Australia 2020 CRC som en del af deres forskning i elektriske køretøjer. ISEM er programleder for elektrificering og spiller en afgørende rolle for design af næste generation af elbiler. En nøgle til at låse op for elbilens muligheder er en let og kraftfuld batteripakke.

"Vores enkle fremstillingsmetode af miljøvenlige materialer med øget ydeevne har et stort potentiale til at blive skaleret op til brug af superkondensator- og batteriteknologi. Vores næste skridt er at bruge dette materiale til at fremstille fleksible bærbare superkondensatorer med høj effekttæthed og energitæthed samt storskala superkondensatorer til elektriske køretøjer."

Forskningen blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet ACS Central Science .