(Phys.org) —Als de onlangs uitgebrachte Google Glass en de binnenkort verkrijgbare Apple iWatch een indicatie zijn, draagbare elektronica kan de volgende grote golf van de toekomst zijn. Hoewel ze een aantal geavanceerde functies bieden, van hoofddisplays tot biomedische monitoring, misschien wel het grootste knelpunt voor draagbare technologieën is de batterij. Niet alleen moeten de batterijen erg klein en licht van gewicht zijn, maar ze moeten ook krachtig genoeg zijn om te voldoen aan de energiebehoeften van de vele functies van de apparaten.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-letters , onderzoekers Wei Weng, et al., aan de Fudan-universiteit in Shanghai, China, hebben het stroomprobleem aangepakt door koolstofnanobuisjes (CNT) composietgarens te ontwerpen en te fabriceren die op een katoenvezel worden gewikkeld om een ​​hoogwaardige Li-ionbatterij te creëren. de vezels, met een diameter van ongeveer 1 mm, kan vervolgens worden geweven tot flexibel textiel, of doek, en gemakkelijk te integreren in flexibele draagbare elektronica.

"Er is dringend behoefte aan een stroombron die direct en naadloos kan worden geïntegreerd met de draagbare elektronica, "Weng vertelde" Phys.org . "Daarom, een krachtbron in de vorm van een vezel is gewenst omdat deze flexibel is en gemakkelijk tot textiel kan worden geweven. We hebben voor het eerst een vezelvolle Li-ionbatterij gefabriceerd op basis van koolstofnanobuisvezels, en de vezelbatterij kan eenvoudig worden geweven tot een energietextiel met hoge prestaties."

Ook al is dit de eerste realisatie van deze CNT fiber Li-ion batterij, het vertoont zeer goede elektrochemische eigenschappen, inclusief een hoge energiedichtheid (0,75 mWh/cm) en het vermogen om 87% van zijn capaciteit te behouden na 100 cycli.

Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van Li-ion batterijvezels is het omgaan met het algemeen bekende siliciumuitzettingsprobleem. Tijdens de chemische reacties die optreden tijdens het laad-/ontlaadproces, silicium ondergaat een grote volumeverandering tot 300%. Om de volumeverandering van het silicium op te vangen, de onderzoekers gebruikten CNT's om een ​​composiet CNT/siliciumgarenanode te maken. De CNT's bufferen effectief de volumeverandering van het silicium en klemmen het silicium op zijn plaats. Zonder deze hybride structuur, de uitzetting van het silicium zorgt ervoor dat het loslaat, de batterij beschadigen.

Voor de kathode de onderzoekers gebruikten CNT's en lithiummangaan, die voordelen heeft, waaronder een hoge stabiliteit, hoge werkspanning, en lage kosten. Door de op CNT gebaseerde anode- en kathodegarens - gescheiden door een gelelektrolyt - op een katoenvezel te wikkelen om een ​​Li-ionbatterij te maken, en vervolgens de Li-ion-batterijen weven tot een flexibel textiel, de onderzoekers demonstreerden de haalbaarheid van het fabriceren van een CNT-vezel Li-ionbatterij.

Eerder, pogingen zijn gedaan om supercondensatorvezels te fabriceren, maar er is niet veel aandacht besteed aan Li-ion batterijvezels vanwege hun moeilijke fabricage. Echter, Li-ionbatterijen hebben bepaalde voordelen, zoals hogere energiedichtheden en lagere zelfontladingsverliezen, vergeleken met supercondensatoren, dus ze bieden de betere optie voor draagbare elektronica in het algemeen. Zoals Weng uitlegt, het huidige werk is een verbetering van eerder onderzoek op dit gebied, maar er is nog ruimte voor verdere verbetering.

"In 2012 werd een Li-ionbatterij met een vergelijkbare vorm (kabeltype) gemeld met koperdraad als skelet, " zei hij. "Het resultaat is prachtig, maar misschien niet geschikt om in een energietextiel te worden geweven. De batterij heeft een grote diameter, gebruikt vloeibaar elektrolyt en is zwaar. Hier, we gebruiken koolstof nanobuisvezel als het skelet waarvan de dichtheid bijna 1/9 van het koper is, en we gebruiken gelelektrolyt om de veiligheid te garanderen. Ook de anode en kathode van composietgaren gemaakt van koolstofnanobuisvezel en actieve materialen hebben een kleine diameter van 100 µm, wat slechts 1/10 is van de anode in de kabelbatterij. Daarom, onze vezelbatterij is compatibel met polymeervezels die worden gebruikt om kleding te maken en heeft ook hoge prestaties geleverd."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de glasvezelbatterijen op verschillende gebieden verder te verbeteren.

"Ten eerste, we willen de prestaties verbeteren, zoals capaciteit en levensduur, "Zei Weng. "Ten tweede, we willen grootschalige productie. Ten derde, andere functies worden gecombineerd, bijv. rekbaar, allochroïsch [van kleur veranderend], en zelfvoorzienend."

© 2014 Fys.org