Onderzoekers van Duke University en Michigan State University hebben een nieuw type supercondensator ontwikkeld die volledig functioneel blijft, zelfs wanneer deze wordt uitgerekt tot acht keer de oorspronkelijke grootte. Het vertoont geen slijtage door herhaaldelijk uitgerekt te worden en verliest slechts een paar procentpunten aan energieprestaties na 10, 000 cycli van opladen en ontladen.

De onderzoekers stellen zich voor dat de supercondensator deel uitmaakt van een stroomonafhankelijke, rekbaar, flexibel elektronisch systeem voor toepassingen zoals draagbare elektronica of biomedische apparaten.

De resultaten verschijnen 19 maart online in Materie , een tijdschrift van Cell Press. Het onderzoeksteam omvat senior auteur Changyong Cao, assistent-professor verpakkingen, werktuigbouwkunde en elektrotechniek en computertechniek aan de Michigan State University (MSU), en senior auteur Jeff Glass, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. Hun co-auteurs zijn doctoraatsstudenten Yihao Zhou en Qiwei Han en onderzoekswetenschapper Charles Parker van Duke, evenals Ph.D. student Yunteng Cao van de Massachusetts Institutes of Technology.

"Ons doel is om innovatieve apparaten te ontwikkelen die mechanische vervormingen, zoals uitrekken, draaien of buigen zonder prestatieverlies, " zei Cao, directeur van het Laboratorium voor Soft Machines en Elektronica bij MSU. "Maar als de krachtbron van een rekbaar elektronisch apparaat niet rekbaar is, dan wordt het hele apparaatsysteem beperkt tot niet-rekbaar."

Een supercondensator (ook wel ultracondensator genoemd) slaat energie op zoals een batterij, maar met enkele belangrijke verschillen. In tegenstelling tot batterijen, die energie chemisch opslaan en ladingen genereren door chemische reacties, een elektrostatische dubbellaagse supercondensator (EDLSC), slaat energie op door middel van ladingsscheiding en kan zelf geen elektriciteit opwekken. Het moet worden opgeladen via een externe bron. Tijdens het opladen, elektronen worden op het ene deel van het apparaat opgebouwd en van het andere verwijderd, zodat wanneer de twee zijden zijn verbonden, elektriciteit stroomt snel tussen hen.

Ook in tegenstelling tot batterijen, supercondensatoren zijn in staat hun energie in korte maar enorme uitbarstingen te ontladen, in plaats van door een lange, langzaam druppelen. Ze kunnen ook veel sneller opladen en ontladen dan een batterij en verdragen veel meer laad-ontlaadcycli dan een oplaadbare batterij. Dit maakt ze perfect voor korte, krachtige toepassingen zoals het afzetten van de flitser in een camera of de versterkers in een stereo.

Maar de meeste supercondensatoren zijn net zo hard en broos als elk ander onderdeel op een printplaat. Daarom hebben Cao en Glass jarenlang gewerkt aan een rekbare versie.

In hun nieuwe krant de onderzoekers demonstreren het hoogtepunt van hun werk tot nu toe, het fabriceren van een supercondensator ter grootte van een postzegel die meer dan twee volt kan dragen. Als je er vier met elkaar verbindt, zoals veel apparaten vereisen voor AA- of AAA-batterijen, de supercondensatoren konden een Casio-horloge van twee volt anderhalf uur van stroom voorzien.

Om de rekbare supercondensatoren te maken, Glass en zijn onderzoeksteam kweken eerst een bos van koolstofnanobuisjes - een stukje van miljoenen nanobuisjes met een diameter van slechts 15 nanometer en 20-30 micrometer hoog - bovenop een siliciumwafel. Dat is ongeveer de breedte van de kleinste bacterie en de hoogte van de dierlijke cel die het infecteert.

De onderzoekers coaten vervolgens een dunne laag gouden nanofilm bovenop het koolstofnanobuisbos. De goudlaag fungeert als een soort elektrische collector, de weerstand van het apparaat een orde van grootte onder eerdere versies laten vallen, waardoor het apparaat veel sneller kan opladen en ontladen.

Glass draagt ​​vervolgens het engineeringproces over aan Cao, die het koolstofnanobuisbos overbrengt naar een voorgerekt elastomeersubstraat met de basis met de gouden kant naar beneden. De met gel gevulde elektrode wordt vervolgens ontspannen om de voorspanning te laten ontsnappen, waardoor het krimpt tot een kwart van zijn oorspronkelijke grootte. Dit proces verfrommelt de dunne laag goud en verplettert de "bomen" in het koolstofnanobuisbos.

"Het verkreukelen vergroot enorm de hoeveelheid beschikbare oppervlakte in een kleine hoeveelheid ruimte, waardoor de hoeveelheid lading die het kan bevatten toeneemt, " legde Glass uit. "Als we alle ruimte van de wereld hadden om mee te werken, een plat oppervlak zou prima werken. Maar als we een supercondensator willen die in echte apparaten kan worden gebruikt, we moeten het zo klein mogelijk maken."

Het superdichte bos wordt vervolgens gevuld met een gelelektrolyt dat elektronen op het oppervlak van de nanobuisjes kan vangen. Wanneer twee van deze laatste elektroden dicht bij elkaar worden gesandwiched, een aangelegde spanning laadt de ene kant met elektronen terwijl de andere wordt afgevoerd, het creëren van een geladen superrekbare supercondensator.

"We hebben nog wat werk te doen om een ​​compleet rekbaar elektronicasysteem te bouwen, " zei Cao. "De supercondensator die in dit artikel wordt gedemonstreerd, gaat nog niet zo ver als we willen. Maar met deze basis van een robuuste rekbare supercondensator, we zullen het kunnen integreren in een systeem dat bestaat uit rekbare draden, sensoren en detectoren om volledig rekbare apparaten te maken."

Rekbare supercondensatoren, leggen de onderzoekers uit, sommige futuristische apparaten zelf van stroom kunnen voorzien, of ze kunnen worden gecombineerd met andere componenten om technische uitdagingen te overwinnen. Bijvoorbeeld, supercondensatoren kunnen in enkele seconden worden opgeladen en vervolgens langzaam een ​​batterij opladen die fungeert als de primaire energiebron voor een apparaat. Deze aanpak is gebruikt voor regeneratief remmen in hybride auto's, waar energie sneller wordt opgewekt dan kan worden opgeslagen. Supercondensatoren verhogen de efficiëntie van het hele systeem. Of zoals Japan al heeft aangetoond, supercondensatoren kunnen een bus van stroom voorzien voor woon-werkverkeer, het voltooien van een volledige herlading bij elke halte in de korte tijd die nodig is om passagiers te laden en te lossen.

"Veel mensen willen supercondensatoren en batterijen aan elkaar koppelen, Glass zei. "Een supercondensator kan snel opladen en duizenden of zelfs miljoenen oplaadcycli overleven, terwijl batterijen meer lading kunnen opslaan, zodat ze lang meegaan. Door ze samen te voegen, krijg je het beste van twee werelden. Ze vervullen twee verschillende functies binnen hetzelfde elektrische systeem."