UOW:s Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) har framgångsrikt banat väg för ett sätt att konstruera en flexibel, hopfällbar och lätt energilagringsenhet som tillhandahåller byggstenarna för nästa generations batterier som behövs för att driva bärbar elektronik och implanterbar medicinsk utrustning.
Gåta forskarna har ställts inför när det gäller att utveckla miniatyrenheter för energilagring, som batterier och superkondensatorer, har funderat på hur man kan öka enhetens yta, för att lagra mer laddning, utan att göra den större.
"Bland alla moderna elektroniska enheter, bärbar elektronik är något av det mest spännande, " ISEM doktorand Monirul Islam sa. "Men den största utmaningen är att ladda lagring i en liten volym samt att kunna leverera den laddningen snabbt på begäran."
För att lösa det här problemet, ett team av doktorander, ledd av Dr Konstantin Konstantinov under beskydd av ISEM-direktör professor Shi Xue Dou och med stöd av professor Hua Kun Liu, chefen för ISEM Energy Storage Division, har utvecklat en tredimensionell struktur med hjälp av en platt-pack självmontering av tre komponenter:grafen, en ledande polymer och kolnanorör, som är atomtjocka gitterliknande nätverk av kol som formas till cylindrar.
Det så kallade undermaterialet grafen, gjord av enstaka atomtjocka lager av grafit, var en lämplig kandidat på grund av dess elektroniska prestanda och mekaniska styrka.
"Vi visste i teorin att om du kan göra ett slags kolskelett har du en större yta och större yta betyder mer laddning, "Dr Konstantinov sa. "Om vi effektivt kunde separera lagren av kol skulle vi kunna använda båda ytorna på varje lager för laddningsackumulering. Problemet vi stod inför var att tillverka dessa 3D-former i praktiken, inte bara teori, är en utmanande, om inte omöjlig uppgift."
Lösningen var att plattpacka komponenterna genom att bygga 3D-formen lager för lager, ungefär som en miniatyrövning i tårtdekoration. Grafenen i flytande form blandades med den ledande polymeren och reducerades till fast och kolnanorören sattes försiktigt in mellan grafenskikten för att bilda en självmonterad plattpackad, oblattunt superkondensatormaterial.
"Den verkliga utmaningen var hur man sätter ihop dessa tre komponenter till en enda struktur med bästa möjliga användning av det tillgängliga utrymmet, " Doktoranden Monirul Islam sa. "Att få fram proportionerna eller förhållandena mellan komponenterna på lämpligt sätt för att få ett kompositmaterial med maximal energilagringsprestanda var en annan utmaning."
Fel proportioner av någon av ingredienserna resulterar i en klumpig röra, eller en 3D-form som inte är tillräckligt stark för att behålla den nödvändiga flexibiliteten såväl som laddningslagringsförmågan. Det finns också elegans i enkelheten i lagets design:forskarna spred komponenterna i flytande kristallina, vilket möjliggjorde naturliga kemiska interaktioner för att förhindra att grafenlagren klumpar ihop sig.
Resultatet blev en 3D-form med, tack vare kolnanorören, en stor yta, utmärkt laddningskapacitet som även är hopfällbar. Den kan också tillverkas billigt och enkelt utan behov av dyra vakuumkammare eller sofistikerad utrustning.
"Vår grafenbaserade, flexibel komposit är mycket ledande, lättvikt, kan vikas som en rulle eller stapla som ett papper i elektroniska enheter för att lagra en enorm mängd laddning, Monirul sa. "Detta material kan lagra laddning på en sekund och leverera laddningen i supersnabb hastighet och kommer att vara lättare än traditionella batterier som används i dagens elektronik."
ISEM-studien har fått ekonomiskt stöd av Automotive Australia 2020 CRC som en del av dess forskning om elfordon. ISEM är programledare för elektrifiering och spelar en avgörande roll för design av nästa generations elfordon En nyckel till att låsa upp elfordonets förmåga är ett lätt och kraftfullt batteripaket.
"Vår enkla tillverkningsmetod av miljövänliga material med ökad prestanda har stor potential att skalas upp för användning av superkondensator- och batteriteknologi. Vårt nästa steg är att använda detta material för att tillverka flexibla bärbara superkondensatorer med hög effekttäthet och energitäthet samt storskaliga superkondensatorer för elfordon."
Forskningen publicerades nyligen i tidskriften ACS Central Science .
