Forskare har tagit ett stort steg mot att tillverka en fiberliknande energilagringsenhet som kan vävas in i kläder och kraftfulla bärbara medicinska monitorer, kommunikationsutrustning eller annan liten elektronik.

Enheten är en superkondensator - en kusin till batteriet. Den här packar ett sammankopplat nätverk av grafen- och kolnanorör så tätt att den lagrar energi jämförbar med vissa tunnfilmslitiumbatterier - ett område där batterier traditionellt har haft en stor fördel.

Produktens utvecklare, ingenjörer och forskare vid Nanyang Technological University (NTU) i Singapore, Tsinghua University i Kina, och Case Western Reserve University i USA, tror att lagringskapaciteten i volym (kallad volymetrisk energitäthet) är den högsta som rapporterats för kolbaserade mikroskala superkondensatorer hittills:6,3 mikrovattimmar per kubikmillimeter.

Enheten bibehåller också fördelen att ladda och frigöra energi mycket snabbare än ett batteri. De fiberstrukturerade hybridmaterialen erbjuder enorma tillgängliga ytor och är mycket ledande.

Forskarna har utvecklat ett sätt att kontinuerligt producera den flexibla fibern, gör det möjligt för dem att skala upp produktionen för en mängd olika användningsområden. Hittills, de har gjort 50 meter långa fibrer, och ser inga begränsningar på längden.

De föreställer sig att fibersuperkondensatorn skulle kunna vävas in i kläder för att driva medicinsk utrustning för människor i hemmet, eller kommunikationsanordningar för soldater i fält. Eller, de säger, fibern kan vara en platsbesparande strömkälla och fungera som "energibärande ledningar" i medicinska implantat.

Yuan Chen, en professor i kemiteknik vid NTU ledde den nya studien, arbetar med Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei och Wenchao Jiang vid NTU; Qiang Zhang vid Tsinghua; och Liming Dai vid Case Western Reserve. Forskarna rapporterar sin forskning i Naturens nanoteknik .

Dai, en professor i makromolekylär vetenskap och teknik vid Case Western Reserve och en medförfattare till artikeln, förklarade att de flesta superkondensatorer har hög effekttäthet men låg energitäthet, vilket innebär att de kan ladda snabbt och ge en boost av kraft, men varar inte länge. Omvänt, batterier har hög energitäthet och låg effekttäthet, vilket betyder att de kan hålla länge, men leverera inte en stor mängd energi snabbt.

Mikroelektronik till elfordon kan dra nytta av energilagringsenheter som erbjuder hög effekt och hög energitäthet. Det är därför forskare arbetar med att utveckla en enhet som erbjuder både och.

För att fortsätta att miniatyrisera elektronik, industrin behöver små energilagringsenheter med stora volymetriska energidensiteter.

i massa, superkondensatorer kan ha jämförbar energilagring, eller energitäthet, till batterier. Men eftersom de kräver stora mängder tillgänglig yta för att lagra energi, de har alltid släpat dåligt i energitäthet i volym.

Deras tillvägagångssätt

För att förbättra energitätheten i volym, forskarna designade en hybridfiber.

En lösning som innehåller syraoxiderade enkelväggiga nanorör, grafenoxid och etylendiamin, som främjar syntes och doppar grafen med kväve, pumpas genom ett flexibelt, smalt förstärkt rör som kallas en kapillärkolonn och värms upp i en ugn i sex timmar.

Ark av grafen, en till några atomer tjocka, och inriktad, enkelväggiga kolnanorör självmonteras till ett sammankopplat prorous nätverk som sträcker sig längs fibern.

Arrangemanget ger enorma mängder tillgänglig yta – 396 kvadratmeter per gram hybridfiber – för transport och lagring av laddningar.

Men materialen är tätt packade i kapillärkolonnen och förblir så när de pumpas ut, vilket resulterar i den höga volymetriska energitätheten.

Processen som använder flera kapillärkolonner kommer att göra det möjligt för ingenjörerna att göra fibrer kontinuerligt och bibehålla konsekvent kvalitet, Sa Chen.

Resultaten

Forskarna har tillverkat fibrer så länge som 50 meter och funnit att de förblir flexibla med en hög kapacitet på 300 Farad per kubikcentimeter.

Vid testning, de fann att tre par fibrer arrangerade i serie tredubblade spänningen samtidigt som laddnings-/urladdningstiden hölls densamma.

Tre par fibrer parallellt tredubblade utströmmen och tredubblade laddnings-/urladdningstiden, jämfört med en enda fiber som drivs med samma strömtäthet.

När de integrerar flera par fibrer mellan två elektroder, förmågan att lagra el, kallas kapacitans, ökade linjärt beroende på antalet använda fibrer.

Användning av en polyvinylalkohol /fosforsyragel som elektrolyt, en solid-state mikro-superkondensator gjord av ett par fibrer erbjöd en volymetrisk densitet på 6,3 mikrowattimmar per kubikmillimeter, vilket är jämförbart med ett 4-volts-500 mikroampertimmars tunnfilmslitiumbatteri.

Fibersuperkondensatorn visade ultrahögt energidensitetsvärde, samtidigt som den höga effekttätheten och cykelstabiliteten bibehålls.

"Vi har testat fiberanordningen för 10, 000 laddnings-/urladdningscykler, och enheten behåller cirka 93 procent av sin ursprungliga prestanda, "Sa Yu, "medan konventionella uppladdningsbara batterier har en livslängd på mindre än 1000 cykler."

Teamet testade också enheten för flexibel energilagring. Anordningen utsattes för konstant mekanisk påfrestning och dess prestanda utvärderades. "Fibersuperkondensatorn fortsätter att fungera utan prestandaförlust, även efter att ha böjt sig hundratals gånger, " sa Yu.

"Eftersom de förblir flexibla och strukturellt konsekventa över sin längd, fibrerna kan också vävas in i ett korsande mönster till kläder för bärbara enheter i smarta textilier." sa Chen.

Sådana kläder kan driva biomedicinska övervakningsenheter som en patient bär hemma, tillhandahålla information till en läkare på ett sjukhus, sa Dai. Invävda i uniformer, de batteriliknande superkondensatorerna kan driva bildskärmar eller transistorer som används för kommunikation.

Forskarna utökar nu sina ansträngningar. De planerar att skala upp tekniken för låg kostnad, mass production of the fibers aimed at commercializing high-performance micro-supercapacitors.

Dessutom, "The team is also interested in testing these fibers for multifunctional applications, including batteries, solceller, biofuel cells, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."