Onderzoekers van de Texas A&M University hebben ontdekt dat wanneer een supercondensator wordt opgeladen, deze energie opslaat en reageert door uit te rekken en uit te zetten. Deze bevinding kan worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen voor flexibele elektronica of andere apparaten die zowel sterk moeten zijn als energie efficiënt moeten opslaan.

Dr. Jodie Lutkenhaus, universitair hoofddocent interne betrokkenheid en hoogleraar chemische technologie, werkte samen met dr. Dimitris Lagoudas, hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en dr. James Boyd, universitair hoofddocent lucht- en ruimtevaarttechniek in een nieuw artikel gepubliceerd in Matter ik> .

"We hebben spanningen gemeten die zich ontwikkelden in op grafeen gebaseerde supercondensatorelektroden en correleerden de spanningen met hoe ionen in en uit het materiaal bewegen", zei Lutkenhaus. "Wanneer een condensator bijvoorbeeld in cyclus wordt gebracht, slaat elke elektrode ionen op en geeft deze vrij die ervoor kunnen zorgen dat de condensator opzwelt en samentrekt."

Lutkenhaus zei dat deze herhaalde beweging de opbouw van mechanische spanningen kan veroorzaken, wat kan resulteren in apparaatstoringen. Om dit tegen te gaan, probeert haar onderzoek een instrument te creëren dat mechanische spanningen en spanningen meet in energieopslagmaterialen tijdens het opladen en ontladen.

Dit instrument biedt inzicht in het meten van het mechanische gedrag tijdens het opladen en ontladen van een elektrode, wat een uitdaging kan zijn om in realtime te observeren.

"We zijn baanbrekend op het gebied van experimentele methoden om de gelijktijdige elektrochemische en mechanische respons van elektroden te meten", aldus Boyd. "Ons onderzoek gaat nu van supercondensatoren naar batterijen."

Mechanische schade beperkt de levensduur van batterijen, dus zijn nieuwe hardware en modellen nodig om experimentele metingen te interpreteren en de effecten van massadiffusie, reacties, inelastische vervorming en mechanische schade te scheiden.

Batterijen en condensatoren kunnen defect raken door de verschillende effecten van interne en externe mechanische spanningen. Interne spanningen treden op wanneer batterijen een herhaaldelijke cyclus van het apparaat ontwikkelen, terwijl externe spanningen het gevolg kunnen zijn van impact of penetratie van het apparaat.

Wanneer deze spanningen optreden, moet de batterij de schade kunnen weerstaan. Lutkenhaus zegt dat het belangrijk is om te begrijpen hoe mechanische spanning zich ontwikkelt in de elektrochemische toestand van het apparaat.

"We hebben een instrument ontwikkeld dat precies dat kan doen", zei Lutkenhaus. "Door dit kritische inzicht te verwerven, kunnen we mogelijk veiligere energieopslagapparaten ontwerpen die langer meegaan."

Het onderzoek heeft tot doel energieopslagapparaten te ontwikkelen die structurele belastingen kunnen dragen en uiteindelijk koolstofvezelversterkte kunststoffen kunnen vervangen die als structurele panelen in vliegtuigen fungeren, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.

"Dit artikel is het resultaat van een voortdurende samenwerking tussen wetenschappers op het gebied van chemische technologie en ruimtevaarttechniek", aldus Lagoudas. "Dit onderzoek biedt een uniek inzicht in hoe nanomaterialen kunnen worden gebruikt voor lichtgewicht en sterke energieopslagapparaten voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen."

Meer informatie: Dimitrios Loufakis et al., In situ elektrochemo-mechanische koppeling van 2D-supercondensatorelektroden van nanomateriaal, Materie (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017

Journaalinformatie: Kwestie

Aangeboden door Texas A&M University College of Engineering