Door gewoon papier of stof te dompelen in een speciale inkt doordrenkt met nanodeeltjes, Stanford-ingenieur Yi Cui heeft een manier gevonden om op goedkope en efficiënte wijze lichtgewicht papieren batterijen en supercondensatoren (die, zoals batterijen, energie opslaan, maar door elektrostatische in plaats van chemische middelen), evenals rekbaar, geleidend textiel bekend als "eTextiles" - in staat om energie op te slaan met behoud van de mechanische eigenschappen van gewoon papier of stof.

Hoewel de technologie nog nieuw is, Het team van Cui heeft talloze functionele toepassingen voor hun uitvindingen bedacht. Huizen van de toekomst kunnen ooit worden bekleed met energiebesparend behang. Liefhebbers van gadgets zouden hun draagbare apparaten onderweg kunnen opladen, ze gewoon in een stopcontact steken dat in hun T-shirts is geweven. Energietextiel kan ook worden gebruikt om kleding voor bewegende displays te maken, reactieve, hoogwaardige sportkleding en draagbare kracht voor de gevechtsuitrusting van een soldaat.

De belangrijkste ingrediënten bij de ontwikkeling van deze hightechproducten zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog. nanostructuren, die kunnen worden geassembleerd in patronen waarmee ze elektriciteit kunnen transporteren, kan de oplossingen bieden voor een aantal problemen die zich voordoen met elektrische opslagapparaten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn.

Het type nanodeeltje dat in de experimentele apparaten van de Cui-groep wordt gebruikt, hangt af van de beoogde functie van het product - lithiumkobaltoxide is een veel voorkomende verbinding die wordt gebruikt voor batterijen, terwijl enkelwandige koolstofnanobuizen, of SWNT's, worden gebruikt voor supercondensatoren.

Cui, een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan Stanford, leidt een onderzoeksgroep die nieuwe toepassingen van materialen op nanoschaal onderzoekt. Het doel, zei Cui, is niet alleen het leveren van antwoorden op theoretische vragen, maar ook het nastreven van projecten met praktische waarde. Onlangs, zijn team heeft zich gericht op manieren om nanotechnologie te integreren in het domein van energieontwikkeling.

"Energieopslag is een vrij oud onderzoeksveld, "zei Cui. "Supercondensatoren, batterijen - die dingen zijn oud. Hoe maak je echt een revolutionaire impact op dit gebied? Het vereist nogal een dramatisch verschil van denken."

Hoewel apparaten voor het opslaan van elektrische energie een lange weg hebben afgelegd sinds Alessandro Volta in 1800 de eerste elektrische cel ter wereld introduceerde, de technologie staat voor een nieuwe revolutie. De huidige methoden voor het vervaardigen van apparaten voor energieopslag kunnen kapitaalintensief en milieugevaarlijk zijn, en de eindproducten hebben merkbare prestatiebeperkingen - conventionele lithium-ionbatterijen hebben een beperkte opslagcapaciteit en zijn kostbaar om te produceren, terwijl traditionele condensatoren een hoog vermogen leveren, maar ten koste van de energieopslagcapaciteit.

Met een beetje hulp van nieuwe wetenschap, de batterijen van de toekomst lijken misschien helemaal niet op de omvangrijke metalen eenheden waaraan we gewend zijn geraakt. Nanotechnologie geniet de voorkeur als remedie, zowel vanwege haar economische aantrekkingskracht als haar vermogen om de energieprestaties te verbeteren in apparaten die het integreren. Vervanging van de koolstof (grafiet) anodes in lithium-ionbatterijen door anodes van silicium nanodraden, bijvoorbeeld, heeft het potentieel om hun opslagcapaciteit met 10 keer te vergroten, volgens experimenten uitgevoerd door Cui's team.

Silicium was eerder erkend als een gunstig anodemateriaal omdat het een grotere hoeveelheid lithium kan bevatten dan koolstof. Maar toepassingen van silicium werden beperkt door het onvermogen om fysieke stress te ondersteunen - namelijk, de viervoudige volumetoename die silicium ondergaat wanneer lithiumionen zich hechten aan een siliciumanode tijdens het opladen van een batterij, evenals de krimp die optreedt wanneer lithiumionen worden uitgetrokken tijdens het ontladen. Het resultaat was dat siliciumstructuren zouden desintegreren, waardoor anoden van dit materiaal veel, zo niet al hun opslagcapaciteit verliezen.

Cui en medewerkers demonstreerden in eerdere publicaties in Nature, Nanotechnologie en Nano Letters die het gebruik van silicium nanodraad batterij-elektroden, mechanisch in staat om de absorptie en ontlading van lithiumionen te weerstaan, was een manier om het probleem te omzeilen.

De bevindingen zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van oplaadbare lithiumbatterijen met een langere levensduur en een hogere energiecapaciteit dan hun tijdgenoten. Silicium-nanodraadtechnologie kan ooit een thuis vinden in elektrische auto's, draagbare elektronische apparaten en implanteerbare medische apparaten.

Cui hoopt nu zijn onderzoek te richten op het bestuderen van zowel de 'harde wetenschap' achter de elektrische eigenschappen van nanomaterialen als het ontwerpen van toepassingen in de echte wereld.

"Dit is het juiste moment om echt te zien wat we leren van nanowetenschap en praktische toepassingen te doen die veelbelovend zijn, "zei Cui. "Het mooie hiervan is, het combineert de goedkoopste technologie die je kunt vinden met de meest geavanceerde nanotechnologie om iets geweldigs te produceren. Ik vind dit een heel spannend idee... een enorme impact op de samenleving."