En grupp forskare från Drexel University har skapat en tygliknande materialelektrod som kan hjälpa till att göra energilagringsenheter – batterier och superkondensatorer – snabbare och mindre mottagliga för läckor eller katastrofala härdsmältningar. Deras design för en ny superkondensator, som ser ut ungefär som en lurvig svamp infunderad med gelatin, erbjuder ett unikt alternativ till den brandfarliga elektrolytlösningen som är en vanlig komponent i dessa enheter.

Elektrolytvätskan inuti både batterier och superkondensatorer kan vara frätande eller giftig och är nästan alltid brandfarlig. För att hålla jämna steg med vår avancerade mobilteknik, energilagringsenheter har blivit föremål för materialkrympning i designprocessen, vilket har gjort dem sårbara för kortslutning – som i de senaste fallen med Samsungs Galaxy Note-enheter – som, när det blandas med närvaron av en brandfarlig elektrolytvätska, kan skapa en explosiv situation.

Så istället för en brandfarlig elektrolytlösning, enheten designad av Vibha Kalra, PhD, professor vid Drexels College of Engineering, och hennes team, använde en tjock jonrik gelelektrolyt absorberad i en fristående matta av porösa kolnanofibrer för att producera en vätskefri enhet. Gruppen, som inkluderade Kalras doktorandassistent Sila Simotwo och tempelforskarna Stephanie L.Wunder, PhD, och Parameswara Chinnam, PhD, publicerade nyligen sin nya design för en "lösningsmedelsfri solid-state supercapacitor" i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .

"Vi har helt eliminerat den komponent som kan fatta eld i dessa enheter, sa Kalra. Och, genom att göra så, Vi har också skapat en elektrod som kan göra det möjligt för energilagringsenheter att bli lättare och bättre."

Superkondensatorer är en annan typ av energilagringsenhet. De liknar batterier, genom att de elektrostatiskt håller och frigör energi, men i vår teknik – mobila enheter, bärbara datorer, elbilar – de tenderar att fungera som reservkraft eftersom de kan betala ut sin lagrade energi i en snabb spurt, till skillnad från batterier som gör det under lång tids användning. Men, som batterier, superkondensatorer använder en brandfarlig elektrolytlösning, som ett resultat av de är sårbara för läckage och bränder.

Inte bara är gruppens superkondensator lösningsmedelsfri – vilket innebär att den inte innehåller brandfarlig vätska – utan den kompakta designen är också mer hållbar och dess energilagringskapacitet och laddnings-urladdningslivslängd är bättre än jämförbara enheter som används för närvarande. Den kan också fungera vid temperaturer så höga som 300 grader Celsius, vilket innebär att det skulle göra mobila enheter mycket mer hållbara och mindre benägna att bli en brandrisk på grund av missbruk.

"För att tillåta industriellt relevant elektrodtjocklek och belastning, vi har utvecklat en tygliknande elektrod som består av nanofibrer som ger en väldefinierad tredimensionell öppen porstruktur för enkel infusion av den fasta elektrolytprekursorn, "Kalra sa. "Den öppna-pore elektroden är också fri från bindemedel som fungerar som isolatorer och minskar prestandan."

Nyckeln till att producera denna hållbara enhet är en fiberliknande elektrodram som teamet skapade med hjälp av en process som kallas elektrospinning. Processen avsätter en kolprekursorpolymerlösning i form av en fibermatta genom att extrudera den genom ett roterande elektriskt fält - en process som, på mikroskopisk nivå, ser ut ungefär som att göra sockervadd.

Jonogelen absorberas sedan i kolfibermattan för att skapa ett komplett elektrod-elektrolytnätverk. Dess utmärkta prestandaegenskaper är också knutna till detta unika sätt att kombinera elektrod- och elektrolytlösningar. Detta beror på att de kommer i kontakt över en större yta.

Om du tänker på en energilagringsenhet som en skål med cornflakes, då är platsen där energilagring sker ungefär där flingorna möter mjölken – forskare kallar detta det "elektriska dubbelskiktet". Det är där den ledande elektroden som lagrar elektricitet möter elektrolytlösningen som bär den elektriska laddningen. Helst i din spannmålsskål, mjölken skulle ta sig igenom alla flingor för att få precis rätt beläggning på varje — inte för knaprig och inte för blöt. Men ibland hamnar spannmålen på hög och mjölken – eller elektrolytlösningen, i fallet med vår jämförelse – når det inte hela vägen, så att flingorna på toppen är torra, medan flingorna på botten är mättade. Det här är ingen bra skål med flingor, och dess elektrokemiska motsvarighet – en elektrontrafikstockning på väg till aktiveringsplatser i elektroden – är inte idealisk för energilagring.

Kalras solid-state superkondensator är som att lägga strimlat vete i skålen, istället för cornflakes. Den öppna arkitekturen låter mjölken tränga igenom och täcka spannmålen, ungefär som jonogelen genomsyrar kolfibermattan i Kalras solid-state superkondensator. Mattan ger en större yta för joner från jonogelen att komma åt elektroden, vilket ökar kapaciteten och förbättrar energilagringsenhetens prestanda. Det eliminerar också behovet av många av ställningsmaterialen som är väsentliga delar för att forma den fysiska elektroden, men spelar ingen roll i energilagringsprocessen och bidrar en bra bit till enhetens totala vikt.

"De senaste elektroderna är sammansatta av fina pulver som måste blandas med bindemedel och göras till en slurry, som sedan appliceras i enheten. Dessa bindemedel tillför egenvikt till enheten, eftersom de inte är ledande material, och de hindrar faktiskt dess prestanda, " sa Kalra. "Våra elektroder är fristående, på så sätt eliminerar behovet av pärmar, vars bearbetning kan stå för så mycket som 20 procent av kostnaden för att tillverka en elektrod."

Nästa steg för Kalras grupp kommer att vara att tillämpa denna teknik för produktion av solid-state-batterier samt att utforska dess tillämpning för smarta tyger.