UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) heeft met succes een manier gevonden om een ​​flexibele, opvouwbaar en lichtgewicht apparaat voor energieopslag dat de bouwstenen levert voor batterijen van de volgende generatie die nodig zijn om draagbare elektronica en implanteerbare medische apparaten van stroom te voorzien.

Het raadsel dat onderzoekers hebben ondervonden bij het ontwikkelen van miniatuur energieopslagapparaten, zoals batterijen en supercondensatoren, heeft uitgezocht hoe het oppervlak van het apparaat kan worden vergroot, om meer lading op te slaan, zonder hem groter te maken.

"Onder alle moderne elektronische apparaten, draagbare elektronica is een van de meest opwindende, ISEM-promovendus Monirul Islam zei. "Maar de grootste uitdaging is om opslag in een klein volume op te laden en die lading snel op afroep te kunnen leveren."

Om dit probleem op te lossen, een team van promovendi, onder leiding van dr. Konstantin Konstantinov onder het beschermheerschap van ISEM-directeur professor Shi Xue Dou en met de steun van professor Hua Kun Liu, het hoofd van de ISEM Energy Storage Division, hebben een driedimensionale structuur ontwikkeld met behulp van een flat-pack zelfassemblage van drie componenten:grafeen, een geleidend polymeer en koolstofnanobuizen, dat zijn atoomdikke roosterachtige netwerken van koolstof die tot cilinders zijn gevormd.

Het zogenaamde wondermateriaal grafeen, gemaakt van enkele atoomdikke lagen grafiet, was een geschikte kandidaat vanwege zijn elektronische prestaties en mechanische sterkte.

"We wisten in theorie dat als je een soort koolstofskelet kunt maken, je een groter oppervlak hebt en een groter oppervlak betekent meer lading, " Dr. Konstantinov zei. "Als we de koolstoflagen efficiënt zouden kunnen scheiden, zouden we beide oppervlakken van elke laag kunnen gebruiken voor ladingsaccumulatie. Het probleem dat we tegenkwamen was dat het fabriceren van deze 3D-vormen in de praktijk, niet alleen theorie, is een uitdagende, zo niet onmogelijke taak."

De oplossing was om de componenten plat te verpakken door de 3D-vorm laag voor laag op te bouwen, net als een miniatuuroefening in taartdecoratie. Het grafeen in vloeibare vorm werd gemengd met het geleidende polymeer en gereduceerd tot vast en de koolstofnanobuisjes werden zorgvuldig tussen de grafeenlagen ingebracht om een ​​zelf-geassembleerde, plat verpakte, flinterdun supercondensatormateriaal.

"De echte uitdaging was hoe deze drie componenten in een enkele structuur konden worden samengevoegd met het beste gebruik van de beschikbare ruimte, Promovendus Monirul Islam zei. "Het was een andere uitdaging om de verhoudingen of verhoudingen van de componenten op de juiste manier te krijgen om een ​​composietmateriaal te verkrijgen met maximale energieopslagprestaties."

Verkeerde verhoudingen van beide ingrediënten resulteren in een klonterige puinhoop, of een 3D-vorm die niet sterk genoeg is om de benodigde flexibiliteit en het vermogen om lading op te slaan te behouden. Er zit ook elegantie in de eenvoud van het ontwerp van het team:de onderzoekers verspreidden de componenten in vloeibaar kristallijn, die natuurlijke chemische interacties mogelijk maakte om te voorkomen dat de grafeenlagen samenklonteren.

Het resultaat was een 3D-vorm met, dankzij de koolstof nanobuisjes, een enorm oppervlak, uitstekende laadcapaciteit die ook opvouwbaar is. Het kan ook goedkoop en gemakkelijk worden gefabriceerd zonder dat er dure vacuümkamers of geavanceerde apparatuur nodig zijn.

"Onze op grafeen gebaseerde, flexibele composiet is zeer geleidend, lichtgewicht, kan vouwen als een rol of stapelen als papier in elektronische apparaten om een ​​enorme hoeveelheid lading op te slaan, Monirul zei. "Dit materiaal kan lading in een seconde opslaan en de lading in supersnelle snelheid afleveren en zal lichter zijn dan traditionele batterijen die in de hedendaagse elektronica worden gebruikt."

De ISEM-studie is financieel ondersteund door de Automotive Australia 2020 CRC als onderdeel van haar onderzoek naar elektrische voertuigen. ISEM is de programmaleider voor elektrificatie en speelt een cruciale rol bij het ontwerp van de volgende generatie elektrische voertuigen. Een sleutel tot het ontsluiten van de mogelijkheden van het elektrische voertuig is een lichtgewicht en krachtig batterijpakket.

"Onze eenvoudige fabricagemethode van milieuvriendelijke materialen met verbeterde prestaties heeft een groot potentieel om te worden opgeschaald voor gebruik van supercondensator- en batterijtechnologie. Onze volgende stap is om dit materiaal te gebruiken om flexibele draagbare supercondensatoren te fabriceren met een hoge vermogensdichtheid en energiedichtheid, evenals grootschalige supercondensatoren voor elektrische voertuigen."

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap .