En schematisk bild visar nanoskala batterier/superkondensatorer i en array, som konstruerat vid Rice University. Enheterna visar löfte för att driva nanoskalaelektronik och som ett forskningsverktyg för att förstå elektrokemiskt fenomen på nanoskala. (Kredit:Ajayan Lab/Rice University)
I en levande demonstration av framstegen i miniatyriserande energilagringsenheter, ett team av ingenjörer från Rice University i Houston, Texas, har tillverkat en energilagringsenhet där alla viktiga komponenter är integrerade i en enda nanotråd. Nanotrådens energilagringsenhet kan ge forskare en bättre förståelse av elektrokemi på nanoskala, och med optimering kan också användas för att driva nanoelektroniska enheter.
Risingenjörer Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, och Pulickel M. Ajayan har publicerat sin studie om nanotråds energilagringsenheter i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .
”Vårt arbete här har för första gången visat tillverkningen av alla tre huvudkomponenterna i en energilagringsenhet - anod, elektrolyt, och katod - på en enda nanotråd, ”Berättade Ajayan PhysOrg.com . "Detta representerar den ultimata formen av miniatyrisering som utlovas av nanoteknik och ett framsteg när det gäller att tillverka mer komplexa och funktionella byggstenar för nanotråd för framtida applikationer för nanoteknik."
Forskarna tillverkade först ett nytt tunnfilmigt hybridelektrokemiskt system bestående av en nickel-tenn (Ni-Sn) anod och polyanilin (PANI) katod, vilket visade bra elektrokemisk prestanda. Som en hybrid elektrokemisk enhet (HED), systemet kombinerar fördelarna med batterier (hög energi) och superkondensatorer (hög effekt) till en design.
För att tillverka samma system på en nanotrådmatris, forskarna använde nanotrådsmallar med pordiametrar på cirka 200 nm. Efter beläggning av porerna med ett tunt kopparskikt, forskarna fyllde porerna halvvägs med Ni-Sn för att göra anoden. Sedan vidgade forskarna porerna kemiskt för att belägga Ni-Sn med ett tunt lager av polyetylenoxid (PEO) elektrolyt, som fungerade som separator. Till sist, PANI -katoden integrerades i strukturen genom en infiltreringsprocess. Övergripande, hela nanotråden var några mikrometer lång och hade en total yta på cirka 0,5 cm 2 .
Forskarna tillverkade flera av dessa enheter och arrangerade dem sedan i en parallell uppsättning för testning. Genom att ladda och ladda ur enheterna, forskarna visade att enheterna har övergripande goda laddnings-/urladdningsegenskaper som kan göra dem attraktiva för att driva nanoelektroniska enheter.
En annan fördel med nanotrådsenheterna är att deras elektroder inte innehåller något litium. Även om litium har använts i många batterier och HED, det begränsar energitätheten och är dyrt att tillverka på grund av högtemperatur syntes. I kontrast, elektrodmaterialen som används här (Ni-Sn och PANI) har fördelen att de enkelt kan syntetiseras vid rumstemperatur med hjälp av enkla tekniker, vilket gör dem mycket billigare.
"Med framsteg för nanoelektroniska enheter, det kommer ett behov av mindre (nano) energikällor, ”Sa Ajayan. "Med utvecklingen av nanoskala strömkällor, sådana krav kan vara uppfyllda. Dessutom, tillverkningen av sådana fullt fungerande enheter på enskilda nanotrådar kan hjälpa det vetenskapliga samfundet att ytterligare undersöka och bättre förstå elektrokemin vid nanoskala gränssnitt. Vår enhet här kan fungera som ett verktyg för att förstå viktiga frågor som självurladdning, läckströmmar, och arten av gränssnittsmotstånd hos nanoskala energilagringsenheter. ”
I framtiden, forskarna planerar att undersöka sätt att ytterligare förbättra nanotrådens prestanda. Till exempel, genom att optimera tjockleken på separatorskiktet mellan de två elektroderna, de hoppas kunna minimera den självurladdning som ofta plågar batterier med tunna separatorer, samt förbättra den låga Coulombic -effektiviteten. Forskarna hoppas också kunna öka elektrodlängden genom att använda olika nanotrådsmallar, vilket kan leda till en ökning av enhetens kapacitet per ytenhet.
"För närvarande är det svårt att gissa exakt vilka enheter det kan användas för att driva, ”Sa Ajayan. ”Vi har visat att en nanotrådsanordning fungerar över en geometrisk yta på cirka 0,5 cm 2 . Enheter i denna skala kan användas för att driva flera MEMS -enheter. I sista hand, enskilda nanotrådsbatterier kan var och en driva några nanotråds halvledarenheter, till exempel. ”
