In een levendige demonstratie van de vooruitgang die wordt geboekt bij het miniaturiseren van apparaten voor energieopslag, een team van ingenieurs van de Rice University in Houston, Texas, heeft een energieopslagapparaat gefabriceerd waarbij alle essentiële componenten zijn geïntegreerd op een enkele nanodraad. Het nanodraad-energieopslagapparaat zou onderzoekers een beter begrip kunnen geven van elektrochemie op nanoschaal, en met optimalisatie kan het ook worden gebruikt om nano-elektronische apparaten van stroom te voorzien.

Rijstingenieurs Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, en Pulickel M. Ajayan hebben hun studie over de energieopslagapparaten met nanodraad gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Ons werk hier heeft voor het eerst de fabricage aangetoond van alle drie de belangrijkste componenten van een energieopslagapparaat - anode, elektrolyt, en kathode - op een enkele nanodraad, ” vertelde Ajayan aan PhysOrg.com . "Dit vertegenwoordigt de ultieme vorm van miniaturisatie die wordt beloofd door nanotechnologie en een vooruitgang in het fabriceren van meer complexe en functionele nanodraadbouwstenen voor toekomstige nanotechnologietoepassingen."

De onderzoekers fabriceerden eerst een nieuw dunne-film hybride elektrochemisch systeem bestaande uit een nikkel-tin (Ni-Sn) anode en polyaniline (PANI) kathode, die goede elektrochemische prestaties vertoonde. Als hybride elektrochemisch apparaat (HED), het systeem combineert de voordelen van batterijen (hoge energie) en supercondensatoren (hoog vermogen) in één ontwerp.

Om hetzelfde systeem op een nanodraadarray te fabriceren, de onderzoekers gebruikten nanodraad-templates met poriediameters van ongeveer 200 nm. Na het coaten van de poriën met een dunne koperlaag, de onderzoekers vulden de poriën voor de helft met Ni-Sn om de anode te maken. Vervolgens verwijdden de onderzoekers de poriën chemisch om het Ni-Sn te coaten met een dunne laag polyethyleenoxide (PEO) elektrolyt, die als afscheiding diende. Eindelijk, de PANI-kathode werd door een infiltratieproces in de structuur geïntegreerd. Algemeen, de hele nanodraad was enkele micrometers lang en had een totale oppervlakte van ongeveer 0,5 cm ² .

De onderzoekers fabriceerden verschillende van deze apparaten en rangschikten ze vervolgens in een parallelle array om te testen. Door de apparaten op te laden en te ontladen, de onderzoekers toonden aan dat de apparaten over het algemeen goede laad- / ontlaadkenmerken hebben die ze aantrekkelijk zouden kunnen maken voor het aandrijven van nano-elektronische apparaten.

Een ander voordeel van de nanodraad-apparaten is dat hun elektroden geen lithium bevatten. Hoewel lithium in veel batterijen en HED's is gebruikt, het beperkt de energiedichtheid en is duur om te fabriceren vanwege synthese bij hoge temperatuur. In tegenstelling tot, de hier gebruikte elektrodematerialen (Ni-Sn en PANI) hebben het voordeel dat ze gemakkelijk bij kamertemperatuur kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van eenvoudige technieken, waardoor ze veel goedkoper zijn.

“Met de vooruitgang van nano-elektronische apparaten, er is behoefte aan kleinere (nano)schaal energiebronnen, ' zei Ajayan. “Met de ontwikkeling van energiebronnen op nanoschaal, aan dergelijke eisen kan worden voldaan. In aanvulling, de fabricage van dergelijke volledig functionele apparaten op individuele nanodraden zou de wetenschappelijke gemeenschap kunnen helpen bij het verder onderzoeken en beter begrijpen van de elektrochemie op nanoschaal-interfaces. Ons apparaat hier zou kunnen dienen als een hulpmiddel om belangrijke zaken te begrijpen, zoals zelfontlading, lekstromen, en de aard van grensvlakweerstanden van apparaten voor energieopslag op nanoschaal."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om manieren te onderzoeken om de prestaties van het nanodraadapparaat verder te verbeteren. Bijvoorbeeld, door de dikte van de scheidingslaag tussen de twee elektroden te optimaliseren, ze hopen de zelfontlading die batterijen vaak plaagt te minimaliseren met dunne separatoren, evenals het verbeteren van de lage Coulomb-efficiëntie. De onderzoekers hopen ook de elektrodelengte te vergroten door verschillende nanodraadsjablonen te gebruiken, wat zou kunnen leiden tot een verhoging van de capaciteit van het apparaat per oppervlakte-eenheid.

“Op dit moment is het moeilijk om de exacte apparaten te raden die het zou kunnen gebruiken om, ' zei Ajayan. "We hebben de werking aangetoond van een nanodraadarray-apparaat geplant op een geometrisch gebied van ongeveer 0,5 cm ² . Apparaten van deze schaal kunnen worden gebruikt om verschillende MEMS-apparaten van stroom te voorzien. uiteindelijk, individuele nanodraadbatterijen kunnen elk een paar nanodraadhalfgeleiderapparaten voeden, bijvoorbeeld.”