Superkondensatorer har den fantastiska förmågan att fånga och lagra energi. Forskare kan använda olika material och tillverkningsmetoder för att göra dem flexibla, tunna och lämpliga för användning i bärbar eller implanterbar elektronik, som smarta klockor eller pacemakers, men dessa tillvägagångssätt tenderar att vara komplicerade och kostsamma. Nu har dock ett team från Jilin University i Kina utvecklat en sorts allt-i-ett självhäftande elektrod som löser ett av de stora problemen som ställs inför avancera flexibla 2D-superkondensatorer – vilket gör att komponenterna fungerar synergistiskt.
De publicerade sina resultat den 29 mars 2024 i Polyoxometalates .
"Flexibla 2D-superkondensatorer lider vanligtvis av komplicerade och tidskrävande tillverkningsprocedurer och dålig mekanisk uthållighet", säger motsvarande författare Wen Li, professor från Jilin University i Kina. "I den här studien skapade vi en ny typ av allt-i-ett självhäftande elektrod som inte bara kan förenkla tillverkningsprocessen utan också övervinna gränssnittsförskjutningen av konventionella superkondensatorer."
Flexibla 2D-superkondensatorer är vanligtvis en sandwich-stackad struktur eller en platt 2D-struktur. Vid upprepad mekanisk deformation kan gränssnittet mellan elektroderna och elektrolyten förskjutas, vilket gör gränssnittskontakten mindre effektiv.
"Men den felaktiga bulkpåkänningen mellan elektroden och elektrolytskikten orsakar vanligtvis den oundvikliga gränsytans förskjutning och delaminering under upprepad mekanisk deformation, vilket ger upphov till en signifikant ökning av gränsytans kontaktresistans mellan elektroder och elektrolytskikt," sa Li.
"Som ett resultat minskar laddnings-/urladdningshastigheten kraftigt och energilagringsprestanda såväl som stabiliteten undertrycks. Mer frustrerande är att de integrerade flexibla superkondensatorenheterna i serie för högspänningsutgång fortfarande är beroende av massor av ledande metalltrådar, som i hög grad begränsar deras flexibilitet, deformerbara tolerans och miniatyrisering för praktiska tillämpningar."
För att lösa gränssnittsproblem och eliminera ledningar, kombinerade forskarna HPA med aminosyror och kolmaterial för att konstruera ett slags allt-i-ett vått lim som samtidigt bär elektronledning, redoxegenskaper, mekanisk deformation och vidhäftning. Heteropolysyror (HPA), som fungerar som en klass av oorganiska kluster i nanostorlek med snabb och reversibel redoxaktivitet, gör det möjligt för superkondensatorn att snabbt och tillförlitligt ladda och ladda ur energi.
Aminosyrorna hjälper HPA:erna att bli mer flexibla, medan kolmaterialen bidrar till elektronisk ledning. De mönstrade det resulterande våta limmet på ett parallellt sätt för att bilda flexibla elektroder. Efter att ha överbryggt gapet mellan de parallella elektroderna genom att injicera en gelelektrolyt, kan de enkelt skapa en flexibel 2D-superkondensator.
"Vi fann att kolkomponenterna förbättrade den elektroniska ledningen; aminosyrornas kemi bidrar till gränsytans vidhäftning; och HPA-klustren förhindrade både större strukturer från att bildas och gav elektroden elektronöverföring och lagringsförmåga," sa Li.
"De resulterande limmen är adaptiva och deformerbara material som underlättar utvecklingen av flexibla 2D-superkondensatorer för högspänningsutgång med metallfria sammankopplingar."
Forskarna sa att de skulle försöka skapa substratoberoende och flexibla 2D-superkondensatorer i miniatyr för att utveckla implanterbara kraftenheter.
Andra bidragsgivare är Chuanling Mu och Zhanglei Du; båda studenterna studerade tillsammans med Li vid Jilin University.
Mer information: Chuanling Mu et al, Tämning av heteropolysyror till adhesiva elektroder med användning av aminosyror för utveckling av flexibla tvådimensionella superkondensatorer, Polyoxometalates (2024). DOI:10.26599/POM.2024.9140062
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
