En del elektronik kan böjas, vrid och stretch i bärbara displayer, biomedicinska applikationer och mjuka robotar. Även om dessa enheters kretsar har blivit allt mer böjliga, batterierna och superkondensatorerna som driver dem är fortfarande stela. Nu, forskare inom ACS' Nanobokstäver rapportera en flexibel superkondensator med elektroder gjorda av skrynklig titankarbid – en typ av MXene-nanomaterial – som bibehöll sin förmåga att lagra och frigöra elektroniska laddningar efter upprepad sträckning.
En stor utmaning som töjbar elektronik måste övervinna är den styva och oflexibla naturen hos deras energilagringskomponenter, batterier och superkondensatorer. Superkondensatorer som använder elektroder gjorda av övergångsmetallkarbider, karbonitrider eller nitrider, kallas MXenes, har önskvärda elektriska egenskaper för bärbara flexibla enheter, som snabbladdning och urladdning. Och sättet som 2D MXenes kan bilda flerskiktiga nanoark ger en stor yta för energilagring när de används i elektroder. Dock, tidigare forskare har varit tvungna att inkorporera polymerer och andra nanomaterial för att förhindra att dessa typer av elektroder går sönder när de böjs, vilket minskar deras elektriska lagringskapacitet. Så, Desheng Kong och kollegor ville se om deformering av en orörd MXene-film av titankarbid till dragspelsliknande åsar skulle bibehålla elektrodens elektriska egenskaper samtidigt som flexibilitet och sträckbarhet till en superkondensator.
Forskarna sönderdelade titan-aluminiumkarbidpulver till flingor med fluorvätesyra och fångade lagren av rena titankarbidnanoskivor som en grovt strukturerad film på ett filter. Sedan placerade de filmen på en bit försträckt akrylelastomer som var 800 % av dess avslappnade storlek. När forskarna släppte polymeren, den krympte till sitt ursprungliga tillstånd, och de vidhäftade nanolakan skrynklas till dragspelsliknande rynkor.
I inledande experiment, teamet fann att den bästa elektroden var gjord av en 3 µm tjock film som upprepade gånger kunde sträckas och slappna av utan att skadas och utan att ändra dess förmåga att lagra en elektrisk laddning. Teamet använde detta material för att tillverka en superkondensator genom att lägga en polyvinyl(alkohol)-svavelsyragelelektrolyt mellan ett par av de töjbara titankarbidelektroderna. Enheten hade en hög energikapacitet jämförbar med MXene-baserade superkondensatorer utvecklade av andra forskare, men den hade också extrem töjbarhet upp till 800 % utan att nanoskivorna spricker. Den bibehöll ungefär 90 % av sin energilagringskapacitet efter att ha sträckts ut 1, 000 gånger, eller efter att ha böjts eller vridits. Forskarna säger att deras superkondensators utmärkta energilagring och elektriska stabilitet är attraktiv för töjbara energilagringsenheter och bärbara elektroniska system.
