Wetenschappers hebben een grote stap gezet in de richting van het maken van een vezelachtig energieopslagapparaat dat kan worden geweven in kleding en draagbare medische monitoren van stroom voorziet, communicatieapparatuur of andere kleine elektronica.

Het apparaat is een supercondensator - een neef van de batterij. Deze verpakt een onderling verbonden netwerk van grafeen- en koolstofnanobuisjes zo strak dat het energie opslaat die vergelijkbaar is met sommige dunne-film lithiumbatterijen - een gebied waar batterijen traditioneel een groot voordeel hadden.

De ontwikkelaars van het product, ingenieurs en wetenschappers aan de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore, Tsinghua-universiteit in China, en Case Western Reserve University in de Verenigde Staten, geloof dat de opslagcapaciteit per volume (de zogenaamde volumetrische energiedichtheid) de hoogste is die tot nu toe is gerapporteerd voor op koolstof gebaseerde microschaal supercondensatoren:6,3 microwattuur per kubieke millimeter.

Het apparaat behoudt ook het voordeel dat het veel sneller oplaadt en energie vrijgeeft dan een batterij. De vezelgestructureerde hybride materialen bieden enorme toegankelijke oppervlakken en zijn zeer geleidend.

De onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om de flexibele vezel continu te produceren, waardoor ze de productie kunnen opschalen voor een verscheidenheid aan toepassingen. Daten, ze hebben 50 meter lange vezels gemaakt, en zie geen grenzen aan de lengte.

Ze stellen zich voor dat de supercondensator van vezels in kleding kan worden geweven om medische apparaten voor mensen thuis van stroom te voorzien, of communicatieapparatuur voor soldaten in het veld. Of, ze zeggen, de vezel zou een ruimtebesparende stroombron kunnen zijn en dienen als "energiedragende draden" in medische implantaten.

Yuan Chen, een professor in chemische technologie aan de NTU leidde de nieuwe studie, werken met Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei en Wenchao Jiang bij NTU; Qiang Zhang in Tsinghua; en Liming Dai bij Case Western Reserve. De wetenschappers rapporteren hun onderzoek in Natuur Nanotechnologie .

Dai, een professor in macromoleculaire wetenschap en techniek bij Case Western Reserve en een co-auteur van het artikel, legde uit dat de meeste supercondensatoren een hoge vermogensdichtheid maar een lage energiedichtheid hebben, wat betekent dat ze snel kunnen opladen en een boost van kracht kunnen geven, maar niet lang duren. Omgekeerd, batterijen hebben een hoge energiedichtheid en een lage vermogensdichtheid, wat betekent dat ze lang mee kunnen gaan, maar niet snel een grote hoeveelheid energie leveren.

Micro-elektronica voor elektrische voertuigen kan profiteren van apparaten voor energieopslag die een hoog vermogen en een hoge energiedichtheid bieden. Daarom werken onderzoekers aan de ontwikkeling van een apparaat dat beide biedt.

Om de elektronica verder te miniaturiseren, de industrie heeft kleine energieopslagapparaten nodig met grote volumetrische energiedichtheden.

door massa, supercondensatoren kunnen vergelijkbare energieopslag hebben, of energiedichtheid, naar batterijen. Maar omdat ze grote hoeveelheden toegankelijk oppervlak nodig hebben om energie op te slaan, ze zijn altijd zwaar achtergebleven in energiedichtheid naar volume.

hun aanpak

Om de energiedichtheid per volume te verbeteren, de onderzoekers ontwierpen een hybride vezel.

Een oplossing met zuurgeoxideerde enkelwandige nanobuisjes, grafeenoxide en ethyleendiamine, die de synthese bevordert en grafeen met stikstof dopt, wordt door een flexibele smalle versterkte buis gepompt die een capillaire kolom wordt genoemd en gedurende zes uur in een oven wordt verwarmd.

Vellen grafeen, één tot enkele atomen dik, en uitgelijnd, enkelwandige koolstofnanobuisjes assembleren zichzelf tot een onderling verbonden prorous netwerk dat over de lengte van de vezel loopt.

De opstelling biedt enorme hoeveelheden toegankelijk oppervlak - 396 vierkante meter per gram hybride vezel - voor het transport en de opslag van ladingen.

Maar de materialen zijn stevig verpakt in de capillaire kolom en blijven zo als ze worden weggepompt, resulterend in de hoge volumetrische energiedichtheid.

Het proces waarbij meerdere capillaire kolommen worden gebruikt, stelt de ingenieurs in staat om continu vezels te maken en een constante kwaliteit te behouden, zei Chen.

De bevindingen

De onderzoekers hebben vezels gemaakt tot wel 50 meter lang en ontdekten dat ze flexibel blijven met een hoge capaciteit van 300 Farad per kubieke centimeter.

Bij het testen, ze ontdekten dat drie paar in serie geschakelde vezels de spanning verdrievoudigden terwijl de laad-/ontlaadtijd gelijk bleef.

Drie paren vezels parallel verdrievoudigden de uitgangsstroom en verdrievoudigden de laad-/ontlaadtijd, vergeleken met een enkele vezel die bij dezelfde stroomdichtheid werkt.

Wanneer ze meerdere paren vezels tussen twee elektroden integreren, het vermogen om elektriciteit op te slaan, capaciteit genoemd, lineair verhoogd volgens het aantal gebruikte vezels.

Gebruik een polyvinylalcohol/fosforzuurgel als elektrolyt, een solid-state micro-supercondensator gemaakt van een paar vezels bood een volumetrische dichtheid van 6,3 microwattuur per kubieke millimeter, wat vergelijkbaar is met die van een 4-volt-500-microampère-uur dunne film lithiumbatterij.

De vezelsupercondensator toonde een ultrahoge energiedichtheidswaarde, met behoud van de hoge vermogensdichtheid en cyclusstabiliteit.

"We hebben het glasvezelapparaat 10, 000 laad-/ontlaadcycli, en het apparaat behoudt ongeveer 93 procent van zijn oorspronkelijke prestaties, "J zei, " terwijl conventionele oplaadbare batterijen een levensduur hebben van minder dan 1000 cycli."

Het team testte het apparaat ook voor flexibele energieopslag. Het apparaat werd onderworpen aan constante mechanische belasting en de prestaties werden geëvalueerd. "De glasvezel-supercondensator blijft werken zonder prestatieverlies, zelfs na honderden keren buigen, ' zei Yu.

"Omdat ze over hun lengte flexibel en structureel consistent blijven, de vezels kunnen ook in een kruisend patroon worden geweven in kleding voor draagbare apparaten in slim textiel", zei Chen.

Dergelijke kleding kan biomedische bewakingsapparatuur aandrijven die een patiënt thuis draagt, het verstrekken van informatie aan een arts in een ziekenhuis, zei Dai. Geweven in uniformen, de batterijachtige supercondensatoren zouden displays of transistors kunnen voeden die voor communicatie worden gebruikt.

De onderzoekers breiden hun inspanningen nu uit. Ze zijn van plan de technologie op te schalen tegen lage kosten, massaproductie van de vezels gericht op het commercialiseren van krachtige micro-supercondensatoren.

In aanvulling, "Het team is ook geïnteresseerd in het testen van deze vezels voor multifunctionele toepassingen, inclusief batterijen, zonnepanelen, biobrandstofcellen, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."