Zuren maken zelfklevende elektroden mogelijk voor dunne, flexibele supercondensatoren

Supercondensatoren hebben het uitstekende vermogen om energie op te vangen en op te slaan. Onderzoekers kunnen verschillende materialen en fabricagemethoden gebruiken om ze flexibel, dun en geschikt te maken voor gebruik in draagbare of implanteerbare elektronica, zoals slimme horloges of pacemakers, maar die benaderingen zijn vaak ingewikkeld en kostbaar. Nu heeft een team van de Jilin Universiteit in China echter een soort alles-in-één-kleefelektrode ontwikkeld die een van de belangrijkste problemen oplost waarmee de opmars van flexibele 2D-supercondensatoren te maken krijgt: de componenten synergetisch laten werken.

Zij gepubliceerd hun bevindingen op 29 maart 2024 in Polyoxometalaten.

“Flexibele 2D-supercondensatoren hebben doorgaans last van ingewikkelde en tijdrovende fabricageprocedures en een slecht mechanisch uithoudingsvermogen”, zegt corresponderende auteur Wen Li, professor aan de Jilin Universiteit in China. “In deze studie hebben we een nieuw type alles-in-één kleefelektrode gecreëerd die niet alleen het fabricageproces kan vereenvoudigen, maar ook de grensvlakverplaatsing van conventionele supercondensatoren kan overwinnen.”

Flexibele 2D-supercondensatoren hebben doorgaans een gestapelde sandwichstructuur of een platte 2D-structuur. Bij herhaalde mechanische vervorming kan het grensvlak tussen de elektroden en de elektrolyt verschoven raken, waardoor het grensvlakcontact minder effectief wordt.

“De niet-overeenkomende bulkspanning tussen de elektrode en de elektrolytlagen veroorzaakt echter meestal de onvermijdelijke grensvlakverplaatsing en delaminatie tijdens herhaalde mechanische vervorming, wat aanleiding geeft tot een significante toename van de grensvlakcontactweerstand tussen elektroden en elektrolytlagen, ” zei Li.

“Als gevolg hiervan wordt de laad-/ontlaadsnelheid ernstig verminderd en worden de energieopslagprestaties en de stabiliteit onderdrukt. Frustrerender is dat de geïntegreerde flexibele supercondensatorapparaten in serie voor hoogspanningsoutput nog steeds afhankelijk zijn van veel geleidende metaaldraden. die hun flexibiliteit, vervormbare tolerantie en miniaturisatie voor praktische toepassingen grotendeels beperken.”

Om grensvlakproblemen op te lossen en draden te elimineren, combineerden de onderzoekers HPA met aminozuren en koolstofmaterialen om een ​​soort alles-in-één natte lijm te construeren die tegelijkertijd elektronengeleiding, redox-eigenschap, mechanische vervorming en hechtingsvermogen draagt. Heteropolyzuren (HPA’s), die dienen als een klasse van anorganische clusters van nanogrootte met snelle en omkeerbare redoxactiviteit, stellen de supercondensator in staat energie snel en betrouwbaar op te laden en te ontladen.

De aminozuren helpen de HPA’s flexibeler te worden, terwijl de koolstofmaterialen bijdragen aan de elektronische geleiding. Ze vormden de resulterende natte lijm op een parallelle manier van patroon om flexibele elektroden te vormen. Nadat ze de opening tussen de parallelle elektroden hebben overbrugd door een gel-elektrolyt te injecteren, kunnen ze gemakkelijk een flexibele 2D-supercondensator creëren.

“We ontdekten dat de koolstofcomponenten de elektronische geleiding verbeterden; de chemie van de aminozuren draagt ​​bij aan de hechting aan het grensvlak; en de HPA-clusters verhinderden de vorming van grotere structuren en gaven de elektrode elektronenoverdracht en opslagvermogen”, zei Li.

“De resulterende lijmen zijn adaptieve en vervormbare materialen die de ontwikkeling van flexibele 2D-supercondensatoren voor hoogspanningsoutput met metaalvrije verbindingen vergemakkelijken.”

De onderzoekers zeiden dat ze zouden proberen substraatonafhankelijke en miniatuur flexibele 2D-supercondensatoren te creëren voor de ontwikkeling van implanteerbare stroomapparaten.

Andere bijdragers zijn Chuanling Mu en Zhanglei Du; beide studenten studeerden samen met Li aan de Jilin Universiteit.