(Vänster) I sandwichstrukturen, de två elektroderna upptar olika lager och är vända mot varandra. (Höger) I den nya kamtänderstrukturen, de två elektroderna är integrerade i samma plan. Det tomma utrymmet mellan dem gör att strukturen är flexibel och halvtransparent. Kredit:Heng Lit, et al. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) – De flesta batterier, superkondensatorer, och andra energilagringsenheter är baserade på en sandwichstruktur, där två elektroder är vända mot varandra och laddningen flyter mellan dem. Dock, när dessa strukturer är vikta eller böjda, elektroderna kan lätt spricka eller enheten kan kortsluta om elektroderna kommer i direkt kontakt. I en ny studie, forskare har kommit fram till en ny design för energilagringsenheter som är både flexibel och halvtransparent, där elektroderna är tillverkade i samma tvådimensionella plan i en ny kamtandstruktur.
Forskarna, Heng Li, et al., från School of Physics vid Peking University i Kina, har publicerat sin uppsats om den nya strukturen för flexibla och semitransparenta elektrokemiska anordningar i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
Som forskarna förklarar, nyckeln till att uppnå enhetens flexibilitet och halvtransparens är elektrodens kam-tänder. Forskarna visade att de nya strukturerna kan motstå många cykler av böjning och omböjning - och till och med lindas runt en penna - samtidigt som de behåller nästan alla deras goda prestanda. Strukturerna kräver inte distanser som de som används av vissa sandwichstrukturenheter för att förhindra kortslutning. Istället, de nya strukturerna kan lätt böjas eftersom det finns naturligt tomt utrymme mellan två angränsande kamtandsområden.
Designen lämpar sig också för halvgenomskinlighet eftersom storleken på elektrodkam-tänderna är mindre än 100 μm, vilket är upplösningsgränsen för blotta ögat. Med hjälp av fotolitografi, forskarna kunde tillverka kamtänder med bredder på 40-60 μm, möjliggör god ljusgenomträngning.
Även om andra transparenta, flexibla energilagringsanordningar har tidigare visats, dessa konstruktioner kräver i allmänhet komplexa och dyra processer och är inte universella för andra energisystem. I kontrast, de nya kamtänderna kan tillverkas med enkla metoder och kan integreras med andra elektroniska system.
Solceller tillverkade med elektrodens kamtänder uppvisar god semitransparens och flexibilitet, som visas genom att lindas runt en penna med 9 mm diameter. Kredit:Heng Lit, et al. ©2013 American Chemical Society
"Under de senaste åren har flexibel elektronik har blivit en hotspot och det har skett en explosion av originaliteter och idéer i området, " berättade medförfattaren Dapeng Yu vid Peking University Phys.org . Han förklarade att idén till designen härrör från en studie som han och några av de andra författarna publicerade förra året om solceller gjorda med trådelektroder.
"De elektrokemiska energianordningarna (de kan förstås som batterier eller celler) består av två fibrer (en är anod, den andra är katod) är mycket böjbara, " sa Yu. "Vi blev inspirerade av idén, och försökte integrera de fiberliknande elektroderna tillsammans för att tillverka en plan anordning.
Som vi vet, det finns några liknande mönster inom detta område. Till exempel, den interdigitala strukturen appliceras på superkondensatorer, men de är alla tillverkade på styva och ogenomskinliga substrat som kisel. Därför, de kan inte inse enhetstransparens och flexibilitet."
Här, forskarna demonstrerade den nya kamtandstrukturen genom att tillverka färgsensibiliserade solceller och superkondensatorer baserat på den nya designen. Den flexibla, semitransparenta solceller kan en dag ha applikationer i smarta fönster, byggnadsintegrerade solceller, och integrerade fotovoltaiska laddare för bärbar elektronik. Superkondensatorerna kan också ha en mängd olika tillämpningar, inklusive för nästa generations allt-i-ett transparenta och bärbara elektroniska system.
Förutom färgsensibiliserade solceller och superkondensatorer, kamtänders design kan också utökas till andra elektrokemiska system som alkaliska batterier, quantum dot solceller, och andra energilagrings- och genereringsanordningar.
"Teoretiskt sett, kamtänders struktur kan appliceras på nästan alla typer av elektrokemiska enheter, " sa medförfattaren Qing Zhao vid Pekings universitet. "Men, tillverkningsprocessen måste göras om för enskilda elektrokemiska material. Och vi planerar att utveckla fler typer av flexibla och halvtransparenta batterier eller celler med hjälp av planstrukturdesignen. Å andra sidan, effektiviteten hos dessa flexibla och transparenta enheter är lite lägre än för traditionella enheter nu, och vi vill förbättra deras prestationer i framtiden."
Copyright 2013 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.
