Forskare vid Duke University och Michigan State University har konstruerat en ny typ av superkondensator som förblir fullt fungerande även när den sträcks till åtta gånger sin ursprungliga storlek. Det uppvisar inget slitage från att sträckas upprepade gånger och förlorar bara några procentenheter av energiprestanda efter 10, 000 cykler av laddning och urladdning.

Forskarna föreställer sig att superkondensatorn är en del av ett kraftoberoende, töjbar, flexibelt elektroniskt system för applikationer som bärbar elektronik eller biomedicinsk utrustning.

Resultaten visas online den 19 mars Materia , en journal från Cell Press. Forskargruppen inkluderar seniorförfattaren Changyong Cao, biträdande professor i förpackningar, maskinteknik och el- och datorteknik vid Michigan State University (MSU), och seniorförfattaren Jeff Glass, professor i el- och datateknik vid Duke. Deras medförfattare är doktoranderna Yihao Zhou och Qiwei Han och forskaren Charles Parker från Duke, samt Ph.D. student Yunteng Cao från Massachusetts Institutes of Technology.

"Vårt mål är att utveckla innovativa enheter som kan överleva mekaniska deformationer som sträckning, vridning eller böjning utan att förlora prestanda, "sa Cao, direktör för Laboratoriet för mjuka maskiner och elektronik vid MSU. "Men om strömkällan till en töjbar elektronisk enhet inte är sträckbar, då kommer hela enhetssystemet att begränsas till att vara töjbart. "

En superkondensator (även ibland kallad en ultrakondensator) lagrar energi som ett batteri, men med några viktiga skillnader. Till skillnad från batterier, som lagrar energi kemiskt och genererar laddningar genom kemiska reaktioner, en elektrostatisk dubbelskikts superkondensator (EDLSC), lagrar energi genom laddningsseparation och kan inte skapa egen el. Den måste laddas från en extern källa. Under laddning, elektroner byggs upp på en del av enheten och avlägsnas från den andra, så att när de två sidorna är anslutna, elektricitet flyter snabbt mellan dem.

Också till skillnad från batterier, superkondensatorer kan ladda ur sin energi i korta men massiva skurar, snarare än genom en lång, långsamt sippra. De kan också ladda och ladda ur mycket snabbare än ett batteri och tolerera många fler laddnings-urladdningscykler än ett uppladdningsbart batteri. Detta gör dem perfekta för kort, högeffektsapplikationer som att sätta av blixten i en kamera eller förstärkarna i en stereo.

Men de flesta superkondensatorer är lika hårda och spröda som alla andra komponenter på ett kretskort. Det är därför Cao och Glass har ägnat år åt att arbeta på en töjbar version.

I deras nya tidning, forskarna visar kulmen på deras arbete till denna punkt, tillverka en superkondensator i stämpelstorlek som kan bära mer än två volt. När du ansluter fyra tillsammans, så många enheter kräver AA- eller AAA-batterier, superkondensatorerna kunde driva en tvåvolts Casio-klocka i en och en halv timme.

För att göra de töjbara superkondensatorerna, Glass och hans forskarteam odlar först en kolnanorörsskog - en fläck med miljontals nanorör bara 15 nanometer i diameter och 20-30 mikrometer hög - ovanpå en kiselskiva. Det är ungefär bredden på de minsta bakterierna och höjden på djurcellen den infekterar.

Forskarna täcker sedan ett tunt lager guldnanofilm ovanpå kolnanorörskogen. Guldskiktet fungerar som en slags elektrisk uppsamlare, sänka enhetens motstånd en storleksordning under tidigare versioner, vilket gör att enheten kan laddas och laddas ur mycket snabbare.

Glas lämnar sedan över ingenjörsprocessen till Cao, som överför kolnanorörskogen till ett försträckt elastomersubstrat med basens guldsida nedåt. Den gelfyllda elektroden kopplas sedan av för att låta förspänningen släppa, vilket får den att krympa till en fjärdedel av sin ursprungliga storlek. Denna process skrynklar ihop det tunna guldlagret och slår ihop "träden" i kolnanorörskogen.

"Krossningen ökar kraftigt mängden yta som finns tillgänglig i en liten mängd utrymme, vilket ökar mängden laddning den kan hålla, " förklarade Glass. "Om vi ​​hade allt utrymme i världen att arbeta med, en plan yta skulle fungera bra. Men om vi vill ha en superkondensator som kan användas i riktiga enheter, vi måste göra det så litet som möjligt. "

Den supertäta skogen fylls sedan med en gelelektrolyt som kan fälla elektroner på ytan av nanorören. När två av dessa slutliga elektroder är placerade nära varandra, en pålagd spänning laddar en sida med elektroner medan den andra dräneras, skapa en laddad supertöjbar superkondensator.

"Vi har fortfarande en del att göra för att bygga ett komplett töjbart elektroniksystem, " Sao Cao. "Superkondensatorn som visas i denna tidning går inte så långt som vi vill att den ska göra ännu. Men med denna grund av en robust töjbar superkondensator, vi kommer att kunna integrera det i ett system som består av töjbara trådar, sensorer och detektorer för att skapa helt töjbara enheter."

Sträckbara superkondensatorer, forskarna förklarar, kan driva vissa futuristiska enheter på egen hand, eller de kan kombineras med andra komponenter för att övervinna tekniska utmaningar. Till exempel, superkondensatorer kan laddas på några sekunder och sedan långsamt ladda ett batteri som fungerar som den primära energikällan för en enhet. Detta tillvägagångssätt har använts för regenerativ brytning i hybridbilar, där energi genereras snabbare än den kan lagras. Superkondensatorer ökar effektiviteten i hela systemet. Eller som Japan redan har visat, superkondensatorer kan driva en buss för stadspendling, full laddning vid varje stopp på den korta tid det tar att lasta och lossa passagerare.

"Många människor vill koppla ihop superkondensatorer och batterier, " sa Glas. "En superkondensator kan laddas snabbt och överleva tusentals eller till och med miljontals laddningscykler, medan batterier kan lagra mer laddning så att de kan hålla länge. Att sätta ihop dem ger dig det bästa av två världar. De fyller två olika funktioner inom samma elsystem."