Supercondensatoren beloven het opladen van telefoons en andere apparaten in seconden en minuten, in tegenstelling tot uren voor batterijen. Maar de huidige technologieën zijn meestal niet flexibel, onvoldoende capaciteit hebben, en voor velen nemen hun prestaties snel af met oplaadcycli.

Onderzoekers van de Queen Mary University of London (QMUL) en de University of Cambridge hebben een manier gevonden om alle drie de problemen in één keer te verbeteren.

Hun prototype van een polymeerelektrode, die lijkt op een zuurstok die gewoonlijk aan een kerstboom wordt gehangen, bereikt energieopslag dichtbij de theoretische limiet, maar toont ook flexibiliteit en veerkracht bij het laden/ontladen.

De techniek zou kunnen worden toegepast op vele soorten materialen voor supercondensatoren en het snel opladen van mobiele telefoons mogelijk maken, slimme kleding en implanteerbare apparaten.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Energiebrieven .

De oplossing

Pseudocapaciteit is een eigenschap van polymeer- en composiet-supercondensatoren waarmee ionen het materiaal kunnen binnendringen en dus veel meer lading kunnen verpakken dan koolstof die de lading meestal opslaan als geconcentreerde ionen (in de zogenaamde dubbele laag) nabij het oppervlak.

Het probleem met polymere supercondensatoren, echter, is dat de ionen die nodig zijn voor deze chemische reacties alleen toegang hebben tot de bovenste paar nanometers onder het materiaaloppervlak, de rest van de elektrode als dood gewicht achterlatend. Het kweken van polymeren als nanostructuren is een manier om de hoeveelheid toegankelijk materiaal nabij het oppervlak te vergroten, maar dit kan duur zijn, moeilijk op te schalen, en resulteert vaak in een slechte mechanische stabiliteit.

De onderzoekers, echter, een manier hebben ontwikkeld om nanostructuren in een bulkmateriaal te verweven, waardoor de voordelen van conventionele nanostructurering worden bereikt zonder gebruik te maken van complexe synthesemethoden of materiaaltaaiheid op te offeren.

Projectleider, Stoyan Smoekov, legde uit:"Onze supercondensatoren kunnen heel snel veel lading opslaan, omdat het dunne actieve materiaal (het geleidende polymeer) altijd in contact staat met een tweede polymeer dat ionen bevat, net zoals de rode dunne delen van een zuurstok altijd in de buurt van de witte delen zijn. Maar dit is op veel kleinere schaal.

"Deze interpenetrerende structuur zorgt ervoor dat het materiaal gemakkelijker kan buigen, evenals zwellen en krimpen zonder barsten, wat leidt tot een langere levensduur. Deze ene methode is als het doden van niet slechts twee, maar drie vliegen in één klap."

de uitkomsten

De Smoukov-groep was eerder een pionier op het gebied van een combinatorische route naar multifunctionaliteit met behulp van interpenetrerende polymeernetwerken (IPN) waarin elk onderdeel zijn eigen functie zou hebben, in plaats van trial-and-error-chemie te gebruiken om alle functies in één molecuul te passen.

Deze keer pasten ze de methode toe op energieopslag, specifiek supercondensatoren, vanwege het bekende probleem van slecht materiaalgebruik diep onder het elektrodeoppervlak.

Deze interpenetratietechniek vergroot het oppervlak van het materiaal drastisch, of nauwkeuriger het grensvlak tussen de verschillende polymeercomponenten.

Interpenetratie lost ook twee andere grote problemen in supercondensatoren op. Het zorgt voor flexibiliteit en taaiheid omdat de interfaces de groei van eventuele scheuren in het materiaal stoppen. Het zorgt er ook voor dat de dunne gebieden herhaaldelijk opzwellen en krimpen zonder grote spanningen te ontwikkelen, dus ze zijn elektrochemisch resistent en behouden hun prestaties gedurende vele oplaadcycli.

De onderzoekers ontwerpen en evalueren momenteel rationeel een reeks materialen die kunnen worden aangepast in het interpenetrerende polymeersysteem voor nog betere supercondensatoren.

In een komende recensie, geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Sustainable Energy and Fuels, ze geven een overzicht van de verschillende technieken die mensen hebben gebruikt om de meerdere parameters te verbeteren die nodig zijn voor nieuwe supercondensatoren.

Dergelijke apparaten kunnen worden gemaakt in zachte en flexibele vrijstaande films, die elektronica kan aandrijven die is ingebed in slimme kleding, draagbare en implanteerbare apparaten, en zachte robotica. De ontwikkelaars hopen hun bijdrage te leveren om alomtegenwoordige kracht te bieden voor de opkomende Internet of Things (IoT)-apparaten, wat nog een belangrijke uitdaging is.