Måling af mekaniske spændinger og belastninger i grafenbaserede superkondensatorelektroder

Forskere fra Texas A&M University har opdaget, at når en superkondensator oplades, lagrer den energi og reagerer ved at strække og udvide sig. Denne konstatering kan bruges til at designe nye materialer til fleksibel elektronik eller andre enheder, der både skal være stærke og lagre energi effektivt.

Dr. Jodie Lutkenhaus, associeret afdelingsleder for internt engagement og kemiingeniørprofessor, samarbejdede med Dr. Dimitris Lagoudas, professor i rumfartsteknik og Dr. James Boyd, lektor i rumfartsteknik i et nyt papir offentliggjort i Matter .

"Vi målte spændinger, der udviklede sig i grafen-baserede superkondensatorelektroder og korrelerede spændingerne til, hvordan ioner bevæger sig ind og ud af materialet," sagde Lutkenhaus. "For eksempel, når en kondensator cykles, lagrer og frigiver hver elektrode ioner, der kan få den til at svulme og trække sig sammen."

Lutkenhaus sagde, at denne gentagne bevægelse kan forårsage opbygning af mekaniske spændinger, hvilket resulterer i enhedsfejl. For at bekæmpe dette søger hendes forskning at skabe et instrument, der måler mekaniske spændinger og belastninger i energilagringsmaterialer, når de oplades og aflades.

Dette instrument giver indsigt i måling af den mekaniske adfærd under en elektrodes opladning og afladning, hvilket kan være udfordrende at observere i realtid.

"Vi er banebrydende eksperimentelle metoder til at måle den samtidige elektrokemiske og mekaniske respons af elektroder," sagde Boyd. "Vores forskning bevæger sig nu fra superkondensatorer til batterier."

Mekanisk skade begrænser batteriernes cykluslevetid, så ny hardware og modeller er nødvendige for at fortolke eksperimentelle målinger for at adskille virkningerne af massediffusion, reaktioner, uelastisk deformation og mekanisk skade.

Batterier og kondensatorer kan svigte på grund af de forskellige virkninger af interne og eksterne mekaniske belastninger. Interne belastninger opstår, når batterier udvikler en gentagen cyklus af enheden, mens eksterne belastninger kan skyldes stød eller penetration af enheden.

Når disse belastninger sker, skal batteriet være i stand til at modstå skaden. Lutkenhaus sagde, at det er vigtigt at forstå, hvordan mekanisk stress udvikler sig i enhedens elektrokemiske tilstand.

"Vi udviklede et instrument, der kan gøre netop det," sagde Lutkenhaus. "Ved at opnå denne kritiske indsigt kan vi muligvis designe sikrere energilagringsenheder, der holder længere."

Forskningen sigter mod at udvikle energilagringsenheder, der kan bære strukturelle belastninger og i sidste ende erstatte kulfiberforstærket plast, der fungerer som strukturelle paneler i fly, og dermed forbedre energieffektiviteten.

"Denne artikel er resultatet af et igangværende samarbejde mellem kemiingeniør og rumfartsingeniørforskere," sagde Lagoudas. "Denne forskning giver en unik forståelse af, hvordan nanomaterialer kan bruges til lette og stærke energilagringsenheder til rumfartsapplikationer."

Flere oplysninger: Dimitrios Loufakis et al., In situ elektrokemo-mekanisk kobling af 2D nanomateriale superkondensatorelektroder, Matter (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017

Journaloplysninger: Sagen

Leveret af Texas A&M University College of Engineering