Syrer muliggør klæbende elektroder til tynde, fleksible superkondensatorer

Superkondensatorer har den fremragende evne til at opfange og lagre energi. Forskere kan bruge forskellige materialer og fremstillingsmetoder til at gøre dem fleksible, tynde og egnede til brug i bærbar eller implanterbar elektronik, såsom smarture eller pacemakere, men disse tilgange har en tendens til at være indviklede og dyre. Nu har et team fra Jilin University i Kina imidlertid udviklet en slags alt-i-én klæbende elektrode, der løser et af de store problemer, som de fremadskridende fleksible 2D-superkondensatorer står over for – hvilket får komponenterne til at fungere synergistisk.

De offentliggjorde deres resultater den 29. marts 2024 i Polyoxometalates .

"Fleksible 2D-superkondensatorer lider typisk af komplicerede og tidskrævende fremstillingsprocedurer og dårlig mekanisk udholdenhed," sagde den tilsvarende forfatter Wen Li, professor fra Jilin University i Kina. "I denne undersøgelse skabte vi en ny type alt-i-en klæbende elektrode, der ikke kun kan forenkle fremstillingsprocessen, men også overvinde grænsefladeforskydningen af ​​konventionelle superkondensatorer."

Fleksible 2D superkondensatorer er typisk sandwich stablet struktur eller 2D flad struktur. Ved gentagen mekanisk deformation kan grænsefladen mellem elektroder og elektrolytten blive forskudt, hvilket gør grænsefladekontakten mindre effektiv.

"Men den uoverensstemmende bulk-belastning mellem elektroden og elektrolytlagene forårsager normalt den uundgåelige grænsefladeforskydning og delaminering under gentagen mekanisk deformation, hvilket giver anledning til en signifikant stigning i grænsefladekontaktmodstanden mellem elektroder og elektrolytlag," sagde Li.

"Som følge heraf formindskes opladnings-/afladningshastigheden kraftigt, og energilagringsydelsen samt stabiliteten undertrykkes. Mere frustrerende nok er de integrerede fleksible superkondensatorenheder i serie til højspændingsudgang stadig afhængige af masser af ledende metalledninger, som i vid udstrækning begrænser deres fleksibilitet, deformerbare tolerance og miniaturisering til praktiske anvendelser."

For at løse grænsefladeproblemer og eliminere ledninger kombinerede forskerne HPA med aminosyrer og kulstofmaterialer for at konstruere en slags alt-i-én våd klæbemiddel, der samtidigt bærer elektronledning, redoxegenskaber, mekanisk deformation og klæbeevne. Heteropolysyrer (HPA'er), der tjener som en klasse af uorganiske klynger i nanostørrelse med hurtig og reversibel redoxaktivitet, gør det muligt for superkondensatoren hurtigt og pålideligt at oplade og aflade energi.

Aminosyrerne hjælper HPA'erne med at blive mere fleksible, mens kulstofmaterialerne bidrager til elektronisk ledning. De mønstrede det resulterende våde klæbemiddel på en parallel måde for at danne fleksible elektroder. Efter at have bygget bro mellem de parallelle elektroder ved at injicere en gel-elektrolyt, kan de bekvemt skabe en fleksibel 2D-superkondensator.

"Vi fandt ud af, at kulstofkomponenterne forbedrede den elektroniske ledning; aminosyrernes kemi bidrager til grænsefladeadhæsionen; og HPA-klyngerne forhindrede både større strukturer i at danne og gav elektroden elektronoverførsel og lagringsevne," sagde Li.

"De resulterende klæbemidler er adaptive og deformerbare materialer, der letter udviklingen af ​​fleksible 2D-superkondensatorer til højspændingsudgang med metalfrie forbindelser."

Forskerne sagde, at de ville forsøge at skabe substrat-uafhængige og fleksible miniature 2D-superkondensatorer til udvikling af implanterbare strømenheder.

Andre bidragydere er Chuanling Mu og Zhanglei Du; begge studerende studerede sammen med Li på Jilin University.

Flere oplysninger: Chuanling Mu et al., Tæmning af heteropolysyrer til adhæsive elektroder ved hjælp af aminosyrer til udvikling af fleksible todimensionelle superkondensatorer, Polyoxometalater (2024). DOI:10.26599/POM.2024.9140062

Leveret af Tsinghua University Press