Een groep onderzoekers van de Drexel University heeft een stofachtige materiaalelektrode gemaakt die kan helpen om apparaten voor energieopslag - batterijen en supercondensatoren - sneller en minder vatbaar voor lekken of rampzalige meltdowns te maken. Hun ontwerp voor een nieuwe supercondensator, die eruitziet als een harige spons doordrenkt met gelatine, biedt een uniek alternatief voor de ontvlambare elektrolytoplossing die veel voorkomt in deze apparaten.

De elektrolytvloeistof in zowel batterijen als supercondensatoren kan bijtend of giftig zijn en is bijna altijd ontvlambaar. Om gelijke tred te houden met onze voortschrijdende mobiele technologie, apparaten voor energieopslag zijn onderhevig geweest aan materiaalkrimp in het ontwerpproces, waardoor ze kwetsbaar zijn voor kortsluiting - zoals in recente gevallen met de Galaxy Note-apparaten van Samsung - die, indien vermengd met de aanwezigheid van een ontvlambare elektrolytvloeistof, kan een explosieve situatie veroorzaken.

Dus in plaats van een ontvlambare elektrolytoplossing, het apparaat ontworpen door Vibha Kalra, doctoraat, een professor in Drexel's College of Engineering, en haar team, gebruikte een dikke ionenrijke gelelektrolyt geabsorbeerd in een vrijstaande mat van poreuze koolstof nanovezels om een ​​vloeistofvrij apparaat te produceren. De groep, waaronder Kalra's promovendus Sila Simotwo en Temple-onderzoekers Stephanie L.Wunder, doctoraat, en Parameswara Chinnam, doctoraat, publiceerde onlangs zijn nieuwe ontwerp voor een "oplosmiddelvrije solid-state supercondensator" in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

"We hebben het onderdeel dat vlam kan vatten in deze apparaten volledig geëlimineerd, ' zei Kalra. 'En, daarbij, we hebben ook een elektrode gemaakt waarmee energieopslagapparaten lichter en beter kunnen worden."

Supercondensatoren zijn een ander type energieopslagapparaat. Ze zijn vergelijkbaar met batterijen, doordat ze elektrostatisch energie vasthouden en vrijgeven, maar in onze technologie—mobiele apparaten, laptops, elektrische auto's - ze hebben de neiging om te dienen als stroomback-up omdat ze hun opgeslagen energie in een snelle spurt kunnen uitbetalen, in tegenstelling tot batterijen die dit doen bij langdurig gebruik. Maar, zoals batterijen, supercondensatoren gebruiken een ontvlambare elektrolytoplossing, daardoor zijn ze kwetsbaar voor lekkage en brand.

De supercondensator van de groep is niet alleen oplosmiddelvrij - wat betekent dat hij geen ontvlambare vloeistof bevat - maar het compacte ontwerp is ook duurzamer en de energieopslagcapaciteit en de laad-ontlaadlevensduur zijn beter dan vergelijkbare apparaten die momenteel worden gebruikt. Het is ook in staat om te werken bij temperaturen tot 300 graden Celsius, wat betekent dat het mobiele apparaten veel duurzamer zou maken en minder snel brandgevaarlijk zou worden als gevolg van misbruik.

"Om industrieel relevante elektrodedikte en belasting mogelijk te maken, we hebben een doekachtige elektrode ontwikkeld die is samengesteld uit nanovezels die een goed gedefinieerde driedimensionale open poriestructuur biedt voor gemakkelijke infusie van de vaste elektrolyt-precursor, " zei Kalra. "De elektrode met open poriën is ook vrij van bindmiddelen die als isolatoren werken en de prestaties verminderen."

De sleutel tot het produceren van dit duurzame apparaat is een vezelachtig elektroderaamwerk dat het team heeft gemaakt met behulp van een proces dat elektrospinnen wordt genoemd. Het proces zet een koolstofprecursorpolymeeroplossing neer in de vorm van een vezelachtige mat door deze door een roterend elektrisch veld te extruderen - een proces dat, op microscopisch niveau, lijkt op het maken van suikerspin.

De ionogel wordt vervolgens geabsorbeerd in de koolstofvezelmat om een ​​compleet elektrode-elektrolytnetwerk te creëren. De uitstekende prestatiekenmerken zijn ook verbonden met deze unieke manier om elektrode- en elektrolytoplossingen te combineren. Dit komt doordat ze contact maken over een groter oppervlak.

Als je een energieopslagapparaat ziet als een kom cornflakes, dan is de plaats waar energie wordt opgeslagen ongeveer waar de vlokken de melk ontmoeten - wetenschappers noemen dit de 'elektrische dubbele laag'. Het is waar de geleidende elektrode die elektriciteit opslaat, de elektrolytoplossing ontmoet die de elektrische lading draagt. Ideaal, in je ontbijtgranenkom, de melk zou zich een weg banen door alle vlokken om precies de juiste coating op elk te krijgen - niet te knapperig en niet te drassig. Maar soms wordt het graan opgestapeld en de melk - of de elektrolytoplossing, in het geval van onze vergelijking - haalt het niet helemaal door, zodat de vlokken bovenop droog zijn, terwijl de vlokken op de bodem verzadigd zijn. Dit is geen goede kom ontbijtgranen, en het elektrochemische equivalent ervan - een elektronenverkeersopstopping op weg naar activeringsplaatsen in de elektrode - is niet ideaal voor energieopslag.

Kalra's solid-state supercondensator is alsof je geraspte tarwe in de kom doet, in plaats van cornflakes. De open architectuur laat de melk doordringen en het graan omhullen, net zoals de ionogel de koolstofvezelmat in Kalra's solid-state supercondensator doordringt. De mat biedt een groter oppervlak voor ionen van de ionogel om toegang te krijgen tot de elektrode, wat de capaciteit verhoogt en de prestaties van het energieopslagapparaat verbetert. Het elimineert ook de noodzaak voor veel van de steigermaterialen die essentiële onderdelen zijn voor het vormen van de fysieke elektrode, maar spelen geen rol in het energieopslagproces en dragen een flink stuk bij aan het totale gewicht van het apparaat.

"State-of-the-art elektroden zijn samengesteld uit fijne poeders die moeten worden gemengd met bindmiddelen en tot een slurry moeten worden gemaakt, die vervolgens in het apparaat wordt aangebracht. Deze bindmiddelen voegen eigen gewicht toe aan het apparaat, aangezien het geen geleidende materialen zijn, en ze belemmeren de prestaties ervan, " zei Kalra. "Onze elektroden zijn vrijstaand, waardoor de behoefte aan bindmiddelen wordt geëlimineerd, waarvan de verwerking maar liefst 20 procent van de productiekosten van een elektrode kan uitmaken."

De volgende stap voor Kalra's groep is het toepassen van deze techniek op de productie van solid-state batterijen en het verkennen van de toepassing ervan voor slimme stoffen.