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dehnbare Superkondensatoren für die Stromversorgung der tragbaren Geräte von morgen

2020-03-25

Quelle der Geschichte: wissenschaftlich täglich

Forscher der Duke University und der Michigan State University haben einen neuartigen Superkondensator entwickelt, der auch dann noch voll funktionsfähig ist, wenn er auf das Achtfache seiner ursprünglichen Größe gedehnt wird. Es zeigt keinen Verschleiß durch wiederholtes Dehnen und verliert nach 10.000 Lade- und Entladezyklen nur wenige Prozentpunkte der Energieeffizienz.

Die Forscher stellen sich vor, dass der Superkondensator Teil eines leistungsunabhängigen, dehnbaren und flexiblen elektronischen Systems für Anwendungen wie tragbare Elektronik oder biomedizinische Geräte ist.

Die Ergebnisse erscheinen online am 19. März in Angelegenheit , ein Tagebuch von Cell Press. Das Forschungsteam besteht aus dem leitenden Autor Changyong Cao, dem Assistenzprofessor für Verpackung, Maschinenbau sowie Elektro- und Computertechnik an der Michigan State University (MSU) und dem leitenden Autor Jeff Glass, Professor für Elektro- und Computertechnik am Herzog. Ihre Mitautoren sind die Doktoranden Yihao Zhou und Qiwei Han und der Forscher Charles Parker vom Herzog sowie der Doktorand Yunteng Cao von den Massachusetts Institute of Technology.

"Unser Ziel ist es, innovative Geräte zu entwickeln, die mechanische Verformungen wie Dehnen, Verdrehen oder Biegen überstehen können, ohne an Leistung zu verlieren", sagte cao, Direktor des Labors für weiche Maschinen und Elektronik bei msu. "Wenn jedoch die Stromquelle eines dehnbaren elektronischen Geräts nicht dehnbar ist, muss das gesamte Gerätesystem nicht dehnbar sein."

Ein Superkondensator (manchmal auch als Ultrakondensator bezeichnet) speichert Energie wie eine Batterie, jedoch mit einigen wichtigen Unterschieden. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie chemisch speichern und durch chemische Reaktionen Ladungen erzeugen, speichert ein elektrostatischer Doppelschicht-Superkondensator (edlsc) Energie durch Ladungstrennung und kann keinen eigenen Strom erzeugen. Es muss von einer externen Quelle aufgeladen werden. Während des Ladevorgangs werden auf einem Teil des Geräts Elektronen aufgebaut und vom anderen entfernt, sodass beim Verbinden der beiden Seiten schnell Strom zwischen ihnen fließt.

Im Gegensatz zu Batterien können Superkondensatoren ihre Energie in kurzen, aber massiven Stößen entladen, anstatt durch ein langes, langsames Rinnsal. Sie können auch viel schneller als eine Batterie geladen und entladen werden und tolerieren viel mehr Lade- / Entladezyklen als eine wiederaufladbare Batterie. Dies macht sie perfekt für kurze Hochleistungsanwendungen wie das Auslösen des Blitzes in einer Kamera oder der Verstärker in einer Stereoanlage.

Die meisten Superkondensatoren sind jedoch genauso hart und spröde wie jede andere Komponente auf einer Leiterplatte. Aus diesem Grund haben Cao und Glass jahrelang an einer dehnbaren Version gearbeitet.

In ihrer neuen Arbeit demonstrieren die Forscher den Höhepunkt ihrer Arbeit bis zu diesem Punkt und stellen einen stempelgroßen Superkondensator her, der mehr als zwei Volt tragen kann. Wenn vier Geräte miteinander verbunden werden, da viele Geräte aa- oder aaa-Batterien benötigen, können die Superkondensatoren eine Zwei-Volt-Casio-Uhr anderthalb Stunden lang mit Strom versorgen.

Um die dehnbaren Superkondensatoren herzustellen, züchten Glas und sein Forschungsteam zunächst einen Kohlenstoffnanoröhrenwald - einen Fleck von Millionen von Nanoröhren mit einem Durchmesser von nur 15 Nanometern und einer Höhe von 20 bis 30 Mikrometern - auf einem Siliziumwafer. Das ist ungefähr die Breite der kleinsten Bakterien und die Höhe der infizierten Tierzelle.

Anschließend beschichten die Forscher den Kohlenstoffnanoröhrenwald mit einer dünnen Schicht Goldnanofilm. Die Goldschicht wirkt als eine Art elektrischer Kollektor und senkt den Widerstand des Geräts um eine Größenordnung unter frühere Versionen, wodurch das Gerät viel schneller geladen und entladen werden kann.

Glas übergibt den Konstruktionsprozess dann an cao, der den Kohlenstoffnanoröhrenwald mit der Goldseite nach unten auf ein vorgestrecktes Elastomersubstrat überträgt. Die mit Gel gefüllte Elektrode wird dann entspannt, damit sich die Vorspannung lösen kann, wodurch sie auf ein Viertel ihrer ursprünglichen Größe schrumpft. Dieser Prozess zerknittert die dünne Goldschicht und zerschmettert die "Bäume" im Kohlenstoffnanoröhrenwald.

"Durch das Zerknittern wird die auf kleinem Raum verfügbare Oberfläche erheblich vergrößert, wodurch sich die Ladungsmenge erhöht, die es aufnehmen kann", erklärte Glas. "Wenn wir den ganzen Raum der Welt hätten, mit dem wir arbeiten könnten, würde eine flache Oberfläche gut funktionieren. Wenn wir jedoch einen Superkondensator wollen, der in realen Geräten verwendet werden kann, müssen wir ihn so klein wie möglich machen."

Der superdichte Wald wird dann mit einem Gelelektrolyten gefüllt, der Elektronen auf der Oberfläche der Nanoröhren einfangen kann. Wenn zwei dieser Endelektroden nahe beieinander angeordnet sind, belastet eine angelegte Spannung eine Seite mit Elektronen, während die andere abgelassen wird, wodurch ein geladener superdehnbarer Superkondensator erzeugt wird.

"Wir haben noch einige Arbeiten zum Aufbau eines kompletten dehnbaren Elektroniksystems zu erledigen", sagte cao. "Der in diesem Artikel vorgestellte Superkondensator geht noch nicht so weit, wie wir es wollen. Mit dieser Grundlage eines robusten dehnbaren Superkondensators können wir ihn jedoch in ein System integrieren, das aus dehnbaren Drähten, Sensoren und Detektoren besteht Erstellen Sie vollständig dehnbare Geräte. "

Dehnbare Superkondensatoren, erklären die Forscher, könnten einige futuristische Geräte selbst antreiben oder sie könnten mit anderen Komponenten kombiniert werden, um technische Herausforderungen zu bewältigen. Beispielsweise können Superkondensatoren in Sekundenschnelle aufgeladen werden und dann langsam eine Batterie aufladen, die als primäre Energiequelle für ein Gerät dient. Dieser Ansatz wurde für das regenerative Brechen in Hybridautos verwendet, bei denen Energie schneller erzeugt wird, als sie gespeichert werden kann. Superkondensatoren erhöhen die Effizienz des gesamten Systems. oder wie Japan bereits gezeigt hat, können Superkondensatoren einen Bus für den städtischen Pendelverkehr antreiben und an jeder Haltestelle in der kurzen Zeit, die zum Be- und Entladen von Passagieren erforderlich ist, eine vollständige Aufladung durchführen.

"Viele Leute wollen Superkondensatoren und Batterien miteinander verbinden", sagte Glass. "Ein Superkondensator kann schnell aufgeladen werden und Tausende oder sogar Millionen von Ladezyklen überleben, während Batterien mehr Ladung speichern können, so dass sie eine lange Lebensdauer haben. Wenn Sie sie zusammenbauen, erhalten Sie das Beste aus beiden Welten. Sie erfüllen zwei verschiedene Funktionen innerhalb derselben Elektrik System."

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