Om forskare någonsin kommer att uppfylla löftet om implanterbara konstgjorda organ eller kläder som torkar sig själva, de måste först lösa problemet med oflexibla batterier som tar slut på juice för snabbt. De närmar sig, och idag rapporterar forskare att de har utvecklat ett nytt material genom att väva ihop två polymerer på ett sätt som väsentligt ökar laddningskapaciteten.

Forskarna kommer att presentera sitt arbete idag vid 255:e National Meeting &Exposition of the American Chemical Society (ACS).

"Vi hade utvecklat polymernätverk för en annan applikation som involverar aktivering och taktil avkänning, "Säger Tiesheng Wang." Efter projektet, vi insåg att den töjbara, böjbart material vi hade gjort kan eventuellt användas för energilagring. "

Batterier, specifikt litiumjonbatterier, dominerar energilagringslandskapet. Dock, de kemiska reaktionerna som ligger till grund för laddnings- och urladdningsprocessen i batterier är långsamma, begränsa hur mycket kraft de kan leverera. Plus, batterier tenderar att försämras med tiden, kräver ersättning. En alternativ energilagringsenhet, superkondensatorn, laddar snabbt och genererar allvarlig kraft, vilket potentiellt kan göra det möjligt för elbilar att accelerera snabbare, bland andra applikationer. Plus, superkondensatorer lagrar energi elektrostatiskt, inte kemiskt, vilket gör dem mer stabila och långlivade än många batterier. Men dagens kommersiellt tillgängliga superkondensatorer kräver bindemedel och har låg energitäthet, begränsa deras tillämpning inom framväxande elektronik överallt.

Wang, en doktorand i labbet av Stoyan Smoukov, Ph.D., vid University of Cambridge (U.K.) misstänkte att ett flexibelt ledande polymerbaserat material från ett annat projekt som de arbetade med kunde vara ett bättre alternativ. Ledande polymerer, såsom poly (3, 4-etylendioxietiofen) (PEDOT), är kandidat-superkondensatorer som har fördelar jämfört med traditionella kolbaserade superkondensatorer som laddningsmaterial. De är pseudokapacitiva, vilket betyder att de tillåter reversibla elektrokemiska reaktioner, och de är också kemiskt stabila och billiga. Dock, joner kan bara tränga in i polymererna ett par nanometer djupt, lämnar mycket av materialet som egenvikt. Forskare som arbetar med att förbättra jonrörligheten hade tidigare utvecklat nanostrukturer som avsätter tunna lager av ledande polymerer ovanpå stödmaterial, vilket förbättrar superkondensatorns prestanda genom att göra mer av polymeren tillgänglig för jonerna. Nackdelen, enligt Wang, är att dessa nanostrukturer kan vara ömtåliga, svårt att göra reproducerbart vid uppskalning och dålig elektrokemisk stabilitet, begränsa deras tillämplighet.

Så, Smoukov och Wang utvecklade ett mer robust material genom att väva ihop en ledande polymer med en jonlagringspolymer. De två polymererna sys ihop för att bilda en godisrörliknande geometri, med en polymer som spelar rollen som den vita randen och den andra, röd. Medan PEDOT leder elektricitet, den andra polymeren, poly (etylenoxid) (PEO), kan lagra joner. Den sammanvävda geometrin är avgörande för energilagringsfördelarna, Wang säger, eftersom det gör att jonerna får tillgång till mer av materialet totalt sett, närmar sig den "teoretiska gränsen".

Vid test, candy cane supercapacitor visade förbättringar jämfört med PEDOT ensam med avseende på flexibilitet och cykelstabilitet. Den hade också nästan dubbelt den specifika kapacitansen jämfört med konventionella PEDOT-baserade superkondensatorer.

Fortfarande, det finns utrymme för förbättringar, Säger Smoukov. "I framtida experiment, vi kommer att ersätta polyanilin med PEDOT för att öka kapacitansen, "säger han." Polyanilin, eftersom den kan lagra mer laddning per massenhet, kan eventuellt lagra tre gånger så mycket el som PEDOT för en given vikt. "Det betyder att lättare batterier med samma energilagring kan laddas snabbare, vilket är en viktig faktor vid utvecklingen av nya wearables, robotar och andra enheter.