Forskare från Texas A&M University har upptäckt att när en superkondensator laddas lagrar den energi och reagerar med att sträcka sig och expandera. Detta fynd kan användas för att designa nya material för flexibel elektronik eller andra enheter som måste vara både starka och lagra energi effektivt.
Dr. Jodie Lutkenhaus, biträdande avdelningschef för internt engagemang och professor i kemiteknik, samarbetade med Dr. Dimitris Lagoudas, professor i flygteknik och Dr. James Boyd, biträdande professor i flyg- och rymdteknik i en ny artikel publicerad i Matter i> .
"Vi mätte spänningar som utvecklades i grafenbaserade superkondensatorelektroder och korrelerade spänningarna till hur joner rör sig in och ut ur materialet," sa Lutkenhaus. "Till exempel, när en kondensator cyklas, lagrar och frigör varje elektrod joner som kan få den att svälla och dra ihop sig."
Lutkenhaus sa att denna upprepade rörelse kan orsaka uppbyggnad av mekaniska påfrestningar, vilket resulterar i enhetsfel. För att bekämpa detta försöker hennes forskning skapa ett instrument som mäter mekaniska påkänningar och påkänningar i energilagringsmaterial när de laddas och urladdas.
Detta instrument ger insikter i att mäta det mekaniska beteendet under en elektrods laddning och urladdning, vilket kan vara svårt att observera i realtid.
"Vi är banbrytande med experimentella metoder för att mäta den samtidiga elektrokemiska och mekaniska responsen hos elektroder," sa Boyd. "Vår forskning går nu från superkondensatorer till batterier."
Mekaniska skador begränsar batteriernas livslängd, så ny hårdvara och modeller behövs för att tolka experimentella mätningar för att separera effekterna av massdiffusion, reaktioner, oelastisk deformation och mekanisk skada.
Batterier och kondensatorer kan gå sönder genom olika effekter av inre och yttre mekaniska påfrestningar. Inre påfrestningar uppstår när batterier utvecklar en upprepad cykling av enheten, medan externa påfrestningar kan vara resultatet av stötar eller penetration av enheten.
När dessa påfrestningar inträffar måste batteriet klara skadan. Lutkenhaus sa att det är viktigt att förstå hur mekanisk spänning utvecklas i enhetens elektrokemiska tillstånd.
"Vi utvecklade ett instrument som kan göra just det," sa Lutkenhaus. "Genom att få denna kritiska insikt kanske vi kan designa säkrare energilagringsenheter som håller längre."
Forskningen syftar till att utveckla energilagringsenheter som kan bära strukturella belastningar och så småningom ersätta kolfiberarmerad plast som fungerar som strukturella paneler i flygplan, och på så sätt förbättra energieffektiviteten.
"Den här artikeln är resultatet av ett pågående samarbete mellan kemiteknik och rymdteknikforskare," sa Lagoudas. "Denna forskning ger en unik förståelse för hur nanomaterial kan användas för lätta och starka energilagringsenheter för flygtillämpningar."
Mer information: Dimitrios Loufakis et al, In situ elektrokemo-mekanisk koppling av 2D nanomaterial superkondensatorelektroder, Matter (2023). DOI:10.1016/j.matt.2023.08.017
Journalinformation: Ärge
Tillhandahålls av Texas A&M University College of Engineering
