(Phys.org) - Tänk dig en framtid där våra elektriska prylar inte längre begränsas av kontakter och externa strömkällor. Detta spännande perspektiv är en av anledningarna till det nuvarande intresset för att bygga upp kapaciteten att lagra elektrisk energi direkt i ett brett utbud av produkter, till exempel en bärbar dator vars hölje fungerar som batteri, eller en elbil som drivs av energi lagrad i dess chassi, eller ett hem där den torra väggen och sidospåren lagrar elen som driver lamporna och apparaterna.

Det gör också de små, tråkiga grå skivor som doktoranden Andrew Westover och biträdande professor i maskinteknik Cary Pint har gjort i Vanderbilt's Nanomaterials and Energy Devices Laboratory mycket viktigare än deras obeskrivliga utseende antyder.

"Dessa enheter visar - för första gången så långt vi kan se - att det är möjligt att skapa material som kan lagra och tömma betydande mängder el medan de utsätts för realistiska statiska belastningar och dynamiska krafter, såsom vibrationer eller stötar, "sa Pint." Andrew har lyckats förverkliga vår dröm om strukturella energilagringsmaterial. "

Det är viktigt eftersom strukturell energilagring kommer att förändra hur en mängd olika tekniker utvecklas i framtiden.

"När du kan integrera energi i komponenterna som används för att bygga system, det öppnar dörren till en helt ny värld av tekniska möjligheter. Helt plötsligt, förmågan att designa teknik utifrån hälsa, underhållning, resor och social kommunikation kommer inte att begränsas av kontakter och externa strömkällor, Sa Pint.

Den nya enheten som Pint och Westover har utvecklat är en superkondensator som lagrar elektricitet genom att montera elektriskt laddade joner på ytan av ett poröst material, istället för att lagra det i kemiska reaktioner som batterier gör. Som ett resultat, supercaps kan ladda och ladda ut på några minuter, istället för timmar, och arbeta i miljontals cykler, istället för tusentals cykler som batterier.

I ett papper som visas online 19 maj i tidningen Nano bokstäver , Pint och Westover rapporterar att deras nya strukturella superkondensator fungerar felfritt för att lagra och släppa ut elektrisk laddning medan de utsätts för påfrestningar eller tryck upp till 44 psi och vibrationsacceleration över 80 g (betydligt större än de som verkar på turbinblad i en jetmotor).

Vidare, enhetens mekaniska robusthet äventyrar inte dess energilagringsförmåga. "I en oförpackad, strukturellt integrerat tillstånd kan vår superkondensator lagra mer energi och arbeta vid högre spänningar än ett förpackat, kommersiell superkondensator från hyllan, även under intensiva dynamiska och statiska krafter, Sa Pint.

Ett område där superkondensatorer släpar efter batterier är kapacitet för lagring av elektrisk energi:Superkapslar måste vara större och tyngre för att lagra samma mängd energi som litiumjonbatterier. Dock, skillnaden är inte lika viktig när man överväger multifunktionella energilagringssystem.

"Metoder för batteriprestanda ändras när du lägger energilagring i tunga material som redan behövs för strukturell integritet, "sa Pint." Superkondensatorer lagrar tio gånger mindre energi än nuvarande litiumjonbatterier, men de kan hålla tusen gånger längre. Det betyder att de är bättre lämpade för strukturella tillämpningar. Det är inte vettigt att utveckla material för att bygga ett hem, bilchassi, eller flyg- och rymdfordon om du måste byta dem med några års mellanrum eftersom de går döda. "

Westovers skivor består av elektroder tillverkade av kisel som har behandlats kemiskt så att de har porer i nanoskala på sina inre ytor och sedan belagda med ett skyddande ultratunt grafenliknande kolskikt. Mellan de två elektroderna ligger en polymerfilm som fungerar som en reservoar för laddade joner, liknande rollen som elektrolytpasta i ett batteri. När elektroderna pressas ihop, polymeren suger in i de små porerna på ungefär samma sätt som smält ost drar in i skårorna på hantverksbröd i en Panini. När polymeren svalnar och stelnar, det bildar en extremt stark mekanisk bindning.

"Det största problemet med att utforma bärande superkapslar är att hindra dem från att delaminera, "sade Westover." Genom att kombinera nanoporöst material med polymerelektrolyten binder lagren samman tätare än superlim. "

Användningen av kisel i strukturella superkondensatorer är bäst lämpad för konsumentelektronik och solceller, men Pint och Westover är övertygade om att de regler som styr designens bärande karaktär kommer att övergå till andra material, såsom kolnanorör och lätta porösa metaller som aluminium.

Intensiteten i intresset för "multifunktionella" enheter av detta slag återspeglas i det faktum att U.S. Department of Energy's Advanced Research Project Agency for Energy investerar 8,7 miljoner dollar i forskningsprojekt som fokuserar specifikt på att integrera energilagring i strukturmaterial. Det har också kommit senaste pressrapporter om flera stora insatser för att utveckla multifunktionella material eller strukturella batterier för användning i elfordon och för militära applikationer. Dock, Pint påpekade att det inte har förekommit några rapporter i den tekniska litteraturen om tester som utförts på material för lagring av strukturell energi som visar hur de fungerar under realistiska mekaniska belastningar.