Terwijl flexibele en rekbare elektronicatechnologieën de afgelopen 10 jaar met grote sprongen vooruit zijn gegaan, batterijen om ze van stroom te voorzien hebben nog wat in te halen. Onderzoekers in Singapore en China hebben nu een "quasi-solid-state" batterij gedemonstreerd - gemaakt van materialen ergens tussen een vloeistof en een vaste stof - die tot wel 60% kan worden gecomprimeerd met behoud van een hoge energiedichtheid en een goede stabiliteit van meer dan 10, 000 laad-oplaadcycli. De fabricage van batterijen maakt gebruik van 3D-printen, die, terwijl het interesse wekt voor het produceren van complexe batterijstructuren, heeft uitdagingen opgeleverd voor batterijen die kunnen uitrekken, pletten en buigen terwijl je apparaten van stroom voorziet.

"3-D-printtechnologie is een zeer snel ontwikkelend gebied, " zegt Hui Ying Yang, een materiaalwetenschappelijk onderzoeker aan de Singapore University of Technology and Design die het onderzoek leidde dat werd gerapporteerd in ACS Nano . Ze legt uit dat dit haar en haar collega's ertoe heeft aangezet de technologie toe te passen op hun batterijonderzoek voor rapid prototyping, waardoor ze "batterij-elektroden kunnen produceren met elke willekeurige vorm, lagen en patronen."

Het plot wordt dikker

Vlokken van grafeenoxide (GO) in waterige oplossingen zijn een populair "inkt" -materiaal omdat ze stabiele dispersies maken en hun reologische eigenschappen (hoe ze vloeien en vervormen) tot op zekere hoogte kunnen worden afgestemd. Echter, additieven zoals calciumionen, koolstofnanobuisjes en cellulose-nanovezels zijn nodig om een ​​GO-aerogel te krijgen met het soort viscositeit waarmee een 3D-printer kan werken. Onderzoek in deze richting heeft geleid tot 3D-geprinte ultralichte structuren met verminderde GO (dat wil zeggen, behandeld om de zuurstof te verwijderen zodat het materiaal meer op grafeen lijkt) met grote geleidbaarheid en samendrukbaarheid. Maar de nanokoolstofstructuren alleen slaan geen elektrochemische energie op, en het toevoegen van elektrochemisch actieve additieven aan de drukinkt om een ​​batterij te maken leidt dan tot problemen met de reologische eigenschappen van de inkt.

In plaats daarvan, Yang en haar collega's hebben hun nanokoolstof-aerogel geprint en vervolgens elektrochemisch actieve op ijzer en nikkel gebaseerde nanomaterialen op de gedrukte structuur gedeponeerd. Om de gewenste viscositeit van de drukinkt te bereiken, vermengden ze GO-vlokken met koolstofnanobuisjes (CNT's). Vervolgens dompelden ze de gedrukte roosterstructuren onder in een mengsel van ammoniak en sulfaten, inclusief nikkelsulfaat, wat leidde tot de vorming van Ni (OH) ₂ nanovlokken op de structuur. Toen ze het nanokoolstofrooster behandelden met ijzernitraat en ijzerchloride, poreus Fe ₂ O ₃ nanorod-arrays groeiden in plaats daarvan op het oppervlak van het rooster.

Presteren in een mum van tijd

Nikkel-ijzer quasi-vastestofbatterijen hebben al belangstelling gewekt vanwege een aantal wenselijke eigenschappen, inclusief lage kosten, hoge cyclability en goede mechanische stabiliteit. Yang en haar medewerkers bestudeerden de reologische en elektrochemische prestaties van de Ni(OH) ₂ en Fe ₂ O ₃ geladen nanokoolstofstructuren, het afstemmen van de structuurafmetingen en het gebruik van waterige vloeistof of polymeergel kaliumhydroxide als elektrolyt. Ze waren in staat om een ​​batterij te demonstreren die met 60% kon worden gecomprimeerd en uitstekende fietsstabiliteit behoudt (~91,3% capaciteitsbehoud na 10, 000 laad-ontlaadcycli) en ultrahoge energiedichtheid (28,1 mWh cm ^-3 bij een vermogen van 10,6 mW cm ^-3 ). Door vier apparaten in serie te schakelen, lieten ze zien dat de apparaten een blauwe LED konden oplichten.

"Onze synthetische strategie biedt niet alleen een effectieve methode voor de productie van samendrukbare batterijen door middel van 3D-printen, maar ook toekomstige toepassingen voor stressbestendige flexibele/draagbare elektronische apparaten bevorderen, ", zegt Yang. Maar tijdens het printen is de batterij eenvoudig schaalbaar, de energiedichtheid concurreert momenteel niet met commerciële (niet-samendrukbare) apparaten. "Volgende, we zullen de 3D-geprinte waterige oplaadbare batterijen met hoge energiedichtheid en hoge ontladingsplatforms verder bestuderen, zoals Zn-luchtbatterijen, enzovoort, " zegt Yang.

Dit onderzoekswerk wordt sterk ondersteund door SUTD Digital Manufacturing and Design Centre.

© 2020 Wetenschap X Netwerk