All-nanorør strækbar superkapacitor med lav ækvivalent seriemodstand

I øjeblikket, forskning inden for fleksible og strækbare superkapacitorer er fokuseret på justering af elektroder, da de har den mest markante effekt på ydeevnen. Imidlertid, separatormaterialerne til sådanne applikationer forbliver stort set uudforskede. For nylig, en gruppe forskere fra Skoltech og Aalto University (Finland) foreslog en ny metode til fremstilling af en all-nanorørstrækbar superkapacitor fra SWCNTs filmelektroder og BNNTs separator.

Udover at være dielektrisk, porøs og kemisk inaktiv, separatorerne til strækbare superkapacitorer skal modstå bøjning og strækning uden alvorlige strukturelle skader. Materialer, der vides at opfylde disse krav, omfatter polymerer og polymerbaserede elektrolytter. Imidlertid, på trods af at det er billigt og ikke -giftigt, sådanne materialer viser dårlig befugtning med vandige elektrolytter og har problemer med mekanisk styrke. I øvrigt, deres høje tykkelse (0,2 mm) resulterer i høje indre modstande for den samlede enhed. I modsætning, bornitrid nanorør (BNNT'er), som blev brugt i dette arbejde, er et dielektrisk nanomateriale, der viser høj Youngs modul og trækstyrke, og betragtes således som perfekte materialer til strækbare separatorapplikationer. En anden vigtig komponent i superkapacitorerne er elektroder, som skal være meget ledende og mekanisk stabile. I dette studie, forskere brugte carbon nanorørfilm (CNT'er), da sådant materiale har en unik porestruktur, højt specifikt overfladeareal, lav elektrisk resistivitet og høj kemisk stabilitet, og usædvanligt høj Youngs elasticitetsmodul og trækstyrke.

BNNT -separatoren med kun 0,5 µm tykkelse sikrede pålidelig kortslutningsbeskyttelse og lav ækvivalent seriemodstand (ESR) af den strækbare superkapacitor (SSC). Enheden, fremstillet i en testcellekonfiguration til materialekarakterisering bevarer 96 procent af sin oprindelige kapacitans efter 20 000 opladnings-/afladningscyklusser med lav ækvivalent seriemodstand på 4,6 Ω. Den strækbare superkapacitorprototype modstår mindst 1000 cyklusser med 50 procent belastning med en lille stigning i volumetrisk kapacitans og volumetrisk effektdensitet fra 32 mW cm ⁻³ til 40 mW cm ⁻³ efter strækning, hvilket er højere end tidligere rapporteret. I øvrigt, en lav modstand på 250 Ω for den fremstillede strækbare prototype blev opnået. Den enkle fremstillingsproces for sådanne enheder kan let udvides, gør all-nanorør strækbare superkapacitorer, præsenteret her, lovende elementer i fremtidens bærbare enheder.

"I dette arbejde, vi påførte tynde film af SWCNT'er som elektroderne og BNNT'er som separatoren for at fremstille all-nanorørstrækbare superkapacitorer. Vi valgte at bruge SWCNT- og BNNT -filmene sammen på grund af flere vigtige kvaliteter, såsom gitterstrukturer, som styrker materialet mellem væggene i begge materialer og gør det muligt at teste og karakterisere enheden under mekanisk strækning. Vi har også med succes løst problemet med separatorens tykkelse og modstand, der holder enhedens elastiske egenskaber, "sagde Skoltech Ph.D. -studerende Evgenia Gilshteyn, undersøgelsens hovedforfatter.

Skoltech -professor Albert Nasibulin tilføjede:"Teknologien til fremstilling af SSC er meget enkel, da det er baseret på tøraflejringsoverførsel og airbrushing -teknikker. Med sin stabile ydeevne, enheden kunne fungere som en lovende kandidat til bærbare elektroniske enheder og fleksible energilagringssystemer. "