De capaciteit van flexibele energieopslag oprekken

Sommige elektronica kan buigen, draaien en uitrekken in draagbare displays, biomedische toepassingen en zachte robots. Hoewel de circuits van deze apparaten steeds buigzamer zijn geworden, zijn de batterijen en supercondensatoren die ze van stroom voorzien nog steeds onbuigzaam. Nu, onderzoekers in ACS’ Nano-letters rapporteren een flexibele supercondensator met elektroden gemaakt van gerimpeld titaniumcarbide – een type MXene-nanomateriaal – dat zijn vermogen behield om elektronische ladingen op te slaan en vrij te geven na herhaaldelijk uitrekken.

Een grote uitdaging die rekbare elektronica moet overwinnen, is de stijve en inflexibele aard van hun energieopslagcomponenten, batterijen en supercondensatoren. Supercondensatoren die elektroden gebruiken die zijn gemaakt van overgangsmetaalcarbiden, carbonitriden of nitriden, MXenen genaamd, hebben gewenste elektrische eigenschappen voor draagbare flexibele apparaten, zoals snel opladen en ontladen. En de manier waarop 2D MXenes meerlagige nanosheets kunnen vormen, biedt een groot oppervlak voor energieopslag wanneer ze in elektroden worden gebruikt. Eerdere onderzoekers moesten echter polymeren en andere nanomaterialen opnemen om te voorkomen dat dit soort elektroden breken wanneer ze worden gebogen, waardoor hun elektrische opslagcapaciteit afneemt. Desheng Kong en collega’s wilden dus zien of het vervormen van een ongerepte titaniumcarbide MXene-film tot accordeonachtige richels de elektrische eigenschappen van de elektrode zou behouden en tegelijkertijd flexibiliteit en rekbaarheid zou toevoegen aan een supercondensator.

De onderzoekers desintegreerden titaniumaluminiumcarbidepoeder in vlokken met fluorwaterstofzuur en vingen de lagen van pure titaniumcarbide nanosheets als een ruw getextureerde film op een filter. Daarna plaatsten ze de film op een stuk voorgerekt acrylelastomeer dat 800% van zijn ontspannen grootte was. Toen de onderzoekers het polymeer loslieten, kromp het in zijn oorspronkelijke staat en de gehechte nanosheets verfrommelden in accordeonachtige rimpels.

In de eerste experimenten ontdekte het team dat de beste elektrode was gemaakt van een 3 µm dikke film die herhaaldelijk kon worden uitgerekt en ontspannen zonder te worden beschadigd en zonder het vermogen om een ​​elektrische lading op te slaan te wijzigen. Het team gebruikte dit materiaal om een ​​supercondensator te fabriceren door een polyvinyl(alcohol)-zwavelzuurgelelektrolyt tussen een paar rekbare titaniumcarbide-elektroden te plaatsen. Het apparaat had een hoge energiecapaciteit die vergelijkbaar is met op MXene gebaseerde supercondensatoren die door andere onderzoekers zijn ontwikkeld, maar het had ook een extreme rekbaarheid tot 800% zonder dat de nanosheets barsten. Het behield ongeveer 90% van zijn energieopslagcapaciteit na 1000 keer uitgerekt te zijn, of na te zijn gebogen of gedraaid. De onderzoekers zeggen dat de uitstekende energieopslag en elektrische stabiliteit van hun supercondensator aantrekkelijk is voor rekbare energieopslagapparaten en draagbare elektronische systemen.