De perfecte hoek voor energieopslag van e-skin

Onderzoekers van DGIST hebben een goedkope manier gevonden om kleine apparaten voor energieopslag te fabriceren die effectief flexibele en draagbare huidsensoren kunnen voeden, samen met andere elektronische apparaten, waardoor de weg wordt geëffend voor medische monitoring en diagnoses op afstand en draagbare apparaten. Hun bevindingen werden in het tijdschrift gepubliceerd Nano-energie.

Materiaalwetenschappers Sungwon Lee en Koteeswara Reddy Nandanapalli van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST) ontwikkelden het fabricageproces met collega’s in Korea. Een sleutel tot succes is het spuiten van een specifieke hoeveelheid grafeeninkt op flexibele substraten onder een specifieke hoek en temperatuur.

Lee zegt: “De vraag naar diagnose op afstand en draagbare apparaten neemt snel toe en daarom concentreren veel wetenschappers hun onderzoeksinspanningen op de ontwikkeling van verschillende elektronische huidapparaten, waarvoor extreem kleine en flexibele energieapparaten als stroombron nodig zijn.”

Wanneer micro-supercondensatoren worden opgeladen, hopen positieve en negatieve elektrische ladingen zich op hun elektroden op en worden opgeslagen als energie. Deze apparaten hebben in vergelijking met batterijen korte laad- en ontlaadtijden, maar kunnen niet zoveel energie opslaan.

Grafeen is een veelbelovend materiaal voor het verbeteren van hun energieopslag, aangezien grafeenelektroden zeer poreus zijn en dus een groter oppervlak bieden voor de noodzakelijke elektrostatische reacties.

Een andere manier om de prestaties van de micro-supercondensator te verbeteren, is door elektroden te fabriceren met in elkaar grijpende tanden, zoals die van twee kammen, waardoor de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen, wordt vergroot. Maar dit proces is duur en werkt niet op flexibele, temperatuurgevoelige ondergronden.

De voor de hand liggende oplossing zou zijn om grafeen op een flexibel substraat te sproeien, maar verticaal spuiten leidt tot elektroden die niet erg poreus zijn en compacte lagen hebben, waardoor ze slechte prestaties leveren.

Lee, Nandanapalli en hun collega’s spoten grafeeninkt op dunne, flexibele substraten, en vervaardigden een flinterdunne micro-supercondensator met in elkaar grijpende elektroden en uitstekende prestaties.

De truc, zo verkenden ze, was om tien milliliter grafeeninkt onder een hoek van 45 ° en een temperatuur van 80 ° C op een flexibel substraat te spuiten. Dit leidde tot de vorming van poreuze, meerlagige elektroden. De micro-supercondensator van het team is 23 micrometer dun, tien keer dunner dan papier, en behoudt zijn mechanische stabiliteit na 10.000 buigingen. Het kan ongeveer 8,4 microfarad aan lading per vierkante centimeter opslaan (2 keer hoger dan de huidige waarde) en heeft een vermogensdichtheid van ongeveer 1,13 kilowatt per kilogram (4 keer hoger dan die van de Li-ion-batterijen). Het team heeft aangetoond dat het kan worden gebruikt in draagbare apparaten die aan de huid hechten.

“Ons werk toont aan dat het mogelijk is om de dikte van micro-supercondensatoren te verminderen voor gebruik in flexibele apparaten, zonder hun prestaties te verminderen”, zegt Lee. Het team wil vervolgens de opslagcapaciteit en het energieverbruik van de micro-supercondensatoren verbeteren om het haalbaar te maken voor gebruik in echte elektronische skin-apparaten.