Als wetenschappers ooit de belofte van implanteerbare kunstmatige organen of kleding die zichzelf opdroogt, gaan waarmaken, ze zullen eerst het probleem moeten oplossen van inflexibele batterijen die te snel leeg raken. Ze komen dichterbij, en vandaag melden onderzoekers dat ze een nieuw materiaal hebben ontwikkeld door twee polymeren samen te weven op een manier die de opslagcapaciteit voor lading enorm vergroot.

De onderzoekers presenteren hun werk vandaag op de 255e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

"We hadden polymeernetwerken ontwikkeld voor een andere toepassing met activering en tactiele detectie, " zegt Tiesheng Wang. "Na het project, we realiseerden ons dat de rekbare, buigbaar materiaal dat we hadden gemaakt, zou mogelijk kunnen worden gebruikt voor energieopslag."

Batterijen, met name lithium-ionbatterijen, domineren het energieopslaglandschap. Echter, de chemische reacties die ten grondslag liggen aan het laad- en ontlaadproces in batterijen zijn traag, beperken hoeveel stroom ze kunnen leveren. Plus, batterijen hebben de neiging om na verloop van tijd te verslechteren, vervanging behoeven. Een alternatief energieopslagapparaat, de supercondensator, laadt snel op en genereert serieuze stroom, waardoor elektrische auto's mogelijk sneller kunnen accelereren, onder andere toepassingen. Plus, supercondensatoren slaan energie elektrostatisch op, niet chemisch, waardoor ze stabieler en duurzamer zijn dan veel batterijen. Maar de in de handel verkrijgbare supercondensatoren van vandaag hebben bindmiddelen nodig en hebben een lage energiedichtheid, het beperken van hun toepassing in opkomende go-anywhere elektronica.

Wang, een afgestudeerde student in het lab van Stoyan Smoukov, doctoraat, aan de Universiteit van Cambridge (V.K.) vermoedden dat een flexibel geleidend materiaal op basis van polymeer uit een ander project waaraan ze werkten een beter alternatief zou kunnen zijn. Geleidende polymeren, zoals poly(3, 4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT), zijn kandidaat-supercondensatoren die voordelen hebben ten opzichte van traditionele op koolstof gebaseerde supercondensatoren als materialen voor ladingopslag. Ze zijn pseudocapacitief, wat betekent dat ze omkeerbare elektrochemische reacties mogelijk maken, en ze zijn ook chemisch stabiel en goedkoop. Echter, ionen kunnen slechts enkele nanometers diep in de polymeren doordringen, het verlaten van een groot deel van het materiaal als dood gewicht. Wetenschappers die werkten om de mobiliteit van ionen te verbeteren, hadden eerder nanostructuren ontwikkeld die dunne lagen geleidende polymeren op ondersteunende materialen afzetten. wat de prestaties van de supercondensator verbetert door meer van het polymeer toegankelijk te maken voor de ionen. het nadeel, volgens Wang, is dat deze nanostructuren kwetsbaar kunnen zijn, moeilijk reproduceerbaar te maken wanneer opgeschaald en slecht in elektrochemische stabiliteit, hun toepasbaarheid beperken.

Dus, Smoukov en Wang ontwikkelden een robuuster materiaal door een geleidend polymeer samen te weven met een ionenopslagpolymeer. De twee polymeren werden aan elkaar genaaid om een ​​snoeprietachtige geometrie te vormen, waarbij het ene polymeer de rol van de witte streep speelt en het andere, rood. Terwijl PEDOT elektriciteit geleidt, het andere polymeer, poly(ethyleenoxide) (PEO), ionen kan opslaan. De verweven geometrie is essentieel voor de voordelen van energieopslag, Wang zegt, omdat het de ionen in staat stelt om in het algemeen meer van het materiaal te bereiken, de "theoretische limiet" nadert.

Wanneer getest, de supercondensator met snoepriet toonde verbeteringen ten opzichte van PEDOT alleen met betrekking tot flexibiliteit en fietsstabiliteit. Het had ook bijna het dubbele van de specifieke capaciteit in vergelijking met conventionele op PEDOT gebaseerde supercondensatoren.

Nog altijd, er is ruimte voor verbetering, zegt Smoekov. "In toekomstige experimenten, we zullen polyaniline vervangen door PEDOT om de capaciteit te vergroten, "zegt hij. "Polyaniline, omdat het meer lading per massa-eenheid kan opslaan, zou potentieel drie keer zoveel elektriciteit kunnen opslaan als PEDOT voor een bepaald gewicht." Dat betekent dat lichtere batterijen met dezelfde energieopslag sneller kunnen worden opgeladen, wat een belangrijke overweging is bij de ontwikkeling van nieuwe wearables, robots en andere apparaten.