Superkondensatorer lovar laddning av telefoner och andra enheter på sekunder och minuter i motsats till timmar för batterier. Men nuvarande teknologier är vanligtvis inte flexibla, har otillräcklig kapacitet, och för många försämras deras prestanda snabbt med laddningscykler.

Forskare vid Queen Mary University of London (QMUL) och University of Cambridge har hittat ett sätt att förbättra alla tre problemen i ett slag.

Deras prototyppolymerelektrod, som liknar en godis som vanligtvis hängs på en julgran, uppnår energilagring nära den teoretiska gränsen, men visar också flexibilitet och motståndskraft mot laddning/urladdningscykling.

Tekniken skulle kunna appliceras på många typer av material för superkondensatorer och möjliggöra snabbladdning av mobiltelefoner, smarta kläder och implanterbara enheter.

Forskningen publicerades i ACS Energy Letters .

Lösningen

Pseudokapacitans är en egenskap hos polymer- och kompositsuperkondensatorer som gör att joner kan komma in i materialet och därmed packa mycket mer laddning än kol som mestadels lagrar laddningen som koncentrerade joner (i det så kallade dubbelskiktet) nära ytan.

Problemet med polymer superkondensatorer, dock, är att jonerna som är nödvändiga för dessa kemiska reaktioner bara kan komma åt de översta nanometern under materialytan, lämnar resten av elektroden som dödvikt. Att odla polymerer som nanostrukturer är ett sätt att öka mängden tillgängligt material nära ytan, men det kan bli dyrt, svårt att skala upp, och resulterar ofta i dålig mekanisk stabilitet.

Forskarna, dock, har utvecklat ett sätt att sammanväva nanostrukturer i ett bulkmaterial, därigenom uppnår fördelarna med konventionell nanostrukturering utan att använda komplexa syntesmetoder eller att offra materialseghet.

Projektledare, Stojan Smoukov, förklarade:"Våra superkondensatorer kan lagra mycket laddning mycket snabbt, eftersom det tunna aktiva materialet (den ledande polymeren) alltid är i kontakt med en andra polymer som innehåller joner, precis som de röda tunna områdena i en godisrör alltid är i närheten av de vita delarna. Men det här är i mycket mindre skala.

"Denna interpenetrerande struktur gör att materialet lättare kan böjas, samt svälla och krympa utan att spricka, leder till längre livslängd. Den här metoden är som att döda inte bara två, men tre flugor i en smäll."

Resultaten

Smoukov-gruppen hade tidigare banat väg för en kombinatorisk väg till multifunktionalitet med hjälp av interpenetrerande polymernätverk (IPN) där varje komponent skulle ha sin egen funktion, snarare än att använda trial-and-error-kemi för att passa alla funktioner i en molekyl.

Den här gången tillämpade de metoden för energilagring, speciellt superkondensatorer, på grund av det kända problemet med dålig materialanvändning djupt under elektrodytan.

Denna interpenetrationsteknik ökar drastiskt materialets yta, eller mer exakt gränsytområdet mellan de olika polymerkomponenterna.

Interpenetration råkar också lösa två andra stora problem i superkondensatorer. Det ger flexibilitet och seghet eftersom gränssnitten stoppar tillväxten av eventuella sprickor som kan bildas i materialet. Det tillåter också de tunna områdena att svälla och krympa upprepade gånger utan att utveckla stora påfrestningar, så de är elektrokemiskt resistenta och bibehåller sin prestanda under många laddningscykler.

Forskarna håller för närvarande på att designa och utvärdera en rad material som kan anpassas till det interpenetrerande polymersystemet för ännu bättre superkondensatorer.

I en kommande recension, godkänd för publicering i tidskriften Sustainable Energy and Fuels, de överblickar de olika tekniker som människor har använt för att förbättra de många parametrar som krävs för nya superkondensatorer.

Sådana anordningar kan tillverkas i mjuka och flexibla fristående filmer, som kan driva elektronik inbäddad i smarta kläder, bärbara och implanterbara enheter, och mjuk robotik. Utvecklarna hoppas kunna ge sitt bidrag till att tillhandahålla allestädes närvarande kraft för de framväxande Internet of Things (IoT)-enheterna, vilket fortfarande är en betydande utmaning framför oss.