(Phys.org) —Stel je een toekomst voor waarin onze elektrische gadgets niet langer worden beperkt door stekkers en externe stroombronnen. Dit intrigerende vooruitzicht is een van de redenen voor de huidige belangstelling voor het opbouwen van de capaciteit om elektrische energie rechtstreeks op te slaan in een breed scala aan producten, zoals een laptop waarvan de behuizing als batterij dient, of een elektrische auto die wordt aangedreven door energie die is opgeslagen in het chassis, of een huis waar de droge muur en gevelbeplating de elektriciteit opslaan die de lichten en apparaten laat werken.

Het maakt ook de kleine, saaie grijze wafels die afgestudeerde student Andrew Westover en universitair docent werktuigbouwkunde Cary Pint in Vanderbilt's Nanomaterials and Energy Devices Laboratory veel belangrijker hebben gemaakt dan hun onopvallende uiterlijk doet vermoeden.

"Deze apparaten demonstreren - voor de eerste keer voor zover we kunnen nagaan - dat het mogelijk is om materialen te maken die aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit kunnen opslaan en ontladen terwijl ze onderhevig zijn aan realistische statische belastingen en dynamische krachten. zoals trillingen of stoten, " zei Pint. "Andrew is erin geslaagd om onze droom van structurele materialen voor energieopslag werkelijkheid te maken."

Dat is belangrijk omdat structurele energieopslag de manier waarop in de toekomst allerlei technologieën worden ontwikkeld zal veranderen.

"Als je energie kunt integreren in de componenten die worden gebruikt om systemen te bouwen, het opent de deur naar een hele nieuwe wereld van technologische mogelijkheden. Plotseling, het vermogen om technologieën te ontwerpen die aan de basis liggen van gezondheid, amusement, reizen en sociale communicatie worden niet beperkt door stekkers en externe stroombronnen, ' zei Pint.

Het nieuwe apparaat dat Pint en Westover hebben ontwikkeld, is een supercondensator die elektriciteit opslaat door elektrisch geladen ionen op het oppervlak van een poreus materiaal te verzamelen. in plaats van het op te slaan in chemische reacties zoals batterijen doen. Als resultaat, supercaps kunnen in minuten worden opgeladen en ontladen, in plaats van uren, en werken voor miljoenen cycli, in plaats van duizenden cycli zoals batterijen.

In een paper die op 19 mei online in het tijdschrift verschijnt Nano-letters , Pint en Westover melden dat hun nieuwe structurele supercondensator feilloos werkt bij het opslaan en vrijgeven van elektrische lading terwijl het onderhevig is aan spanningen of drukken tot 44 psi en trillingsversnellingen van meer dan 80 g (aanzienlijk groter dan die op turbinebladen in een straalmotor).

Verder, de mechanische robuustheid van het apparaat doet geen afbreuk aan de energieopslagcapaciteit. "In een onverpakte, structureel geïntegreerde toestand kan onze supercondensator meer energie opslaan en bij hogere spanningen werken dan een verpakte, kant-en-klare commerciële supercondensator, zelfs onder intense dynamische en statische krachten, ' zei Pint.

Een gebied waar supercondensatoren achterblijven bij batterijen, is de opslagcapaciteit van elektrische energie:Supercaps moeten groter en zwaarder zijn om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als lithium-ionbatterijen. Echter, het verschil is niet zo belangrijk bij het overwegen van multifunctionele energieopslagsystemen.

"De prestatiestatistieken van batterijen veranderen wanneer je energieopslag in zware materialen stopt die al nodig zijn voor structurele integriteit, " zei Pint. "Supercondensatoren slaan tien keer minder energie op dan de huidige lithium-ionbatterijen, maar ze kunnen duizend keer langer meegaan. Dat betekent dat ze beter geschikt zijn voor structurele toepassingen. Het heeft geen zin om materialen te ontwikkelen om een ​​huis te bouwen, auto chassis, of ruimtevaartvoertuig als je ze om de paar jaar moet vervangen omdat ze dood gaan."

De wafels van Westover bestaan ​​uit elektroden gemaakt van silicium die chemisch zijn behandeld, zodat ze poriën op nanoschaal op hun binnenoppervlak hebben en vervolgens zijn bedekt met een beschermende ultradunne grafeenachtige laag koolstof. Tussen de twee elektroden zit een polymeerfilm die fungeert als een reservoir van geladen ionen, vergelijkbaar met de rol van elektrolytpasta in een batterij. Als de elektroden tegen elkaar worden gedrukt, het polymeer sijpelt in de kleine poriën op vrijwel dezelfde manier als gesmolten kaas in de hoeken en gaten van ambachtelijk brood in een Panini sijpelt. Wanneer het polymeer afkoelt en stolt, het vormt een extreem sterke mechanische binding.

"Het grootste probleem bij het ontwerpen van dragende supercaps is het voorkomen dat ze delamineren, "zei Westover. "Het combineren van nanoporeus materiaal met het polymeerelektrolyt bindt de lagen steviger aan elkaar dan superlijm."

Het gebruik van silicium in structurele supercondensatoren is het meest geschikt voor consumentenelektronica en zonnecellen, maar Pint en Westover zijn ervan overtuigd dat de regels die het dragende karakter van hun ontwerp bepalen, ook zullen worden toegepast op andere materialen, zoals koolstofnanobuisjes en lichtgewicht poreuze metalen zoals aluminium.

De intensiteit van de belangstelling voor dit soort "multifunctionele" apparaten wordt weerspiegeld door het feit dat het Advanced Research Project Agency for Energy van het Amerikaanse Department of Energy $ 8,7 miljoen investeert in onderzoeksprojecten die specifiek gericht zijn op het opnemen van energieopslag in structurele materialen. Er zijn ook recente persberichten verschenen over verschillende grote inspanningen om multifunctionele materialen of structurele batterijen te ontwikkelen voor gebruik in elektrische voertuigen en voor militaire toepassingen. Echter, Pint wees erop dat er in de technische literatuur geen meldingen zijn van tests die zijn uitgevoerd op structurele energieopslagmaterialen die laten zien hoe ze functioneren onder realistische mechanische belastingen.