18. März 2024 (Nanowerk-Scheinwerfer) Das Aufkommen der tragbaren Technologie hat einen dringenden Bedarf an Energiespeicherlösungen mit sich gebracht, die mit der Flexibilität und Dehnbarkeit weicher elektronischer Geräte Schritt halten können. Herkömmliche starre Batterien und Superkondensatoren haben sich als unzureichend für die nahtlose Integration in Wearables erwiesen, die sich dem menschlichen Körper anpassen und den Belastungen des täglichen Gebrauchs standhalten müssen. Dieses Missverhältnis zwischen Energiespeicherung und Geräteflexibilität hat den Fortschritt in Bereichen wie Gesundheitsüberwachung, intelligenten Textilien und biomedizinischen Implantaten behindert. Mikro-Superkondensatoren (MSCs) haben sich aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, schnellen Aufladung und langen Zyklenlebensdauer als vielversprechende Kandidaten für die Speicherung verformbarer Energie erwiesen. Allerdings hat es sich als Herausforderung erwiesen, die komplizierten ineinandergreifenden Elektrodenmuster zu erstellen, die für Hochleistungs-MSCs unter Verwendung von Materialien erforderlich sind, die wiederholtem Dehnen und Verdrehen standhalten. Während Forscher Fortschritte bei der Verbesserung der Flexibilität durch innovative Muster und elastische Substrate erzielt haben, erfordern viele Ansätze eine komplexe Herstellung und scheitern immer noch unter extremer Verformung. Jetzt eine gemeinsame Forschungsarbeit unter der Leitung von Dr. Chanwoo Yang vom Korea Institute of Industrial Technology und Professor Jin Kon Kim von der Pohang University of Science and Technology hat eine mögliche Lösung hervorgebracht. In ihrem Artikel veröffentlicht in npj Flexible Elektronik („Verformbarer Mikro-Superkondensator, hergestellt durch Laserablationsstrukturierung von Graphen/flüssigem Metall“) beschreibt das Team die Herstellung hochverformbarer Graphen basierte MSCs mit flüssiges Metall Stromkollektoren auf einem elastischen Polymersubstrat.
a Darstellung eines integrierten Systems aus Softelektronik und verformbarer Energiespeicherkomponente. b Der Herstellungsprozess von EGaIn-basiertem MSC. c UV-Vis-Spektren von SEBS, EGaIn und Graphen. FE-SEM-Bilder der Laserablation d Graphen/EGaIn und e EGaIn (Maßstabsbalken = 200 µm). Fotos von f Institutslogos, g deformierte Logos und h eine LED, die an den MSC-Schaltkreis angeschlossen ist (Maßstabsbalken = 1 cm). (Bild: © npj Flexible Electronics) Die entscheidende Innovation liegt in der Verwendung von eutektischem Gallium-Indium (EGaIn), einer flüssigen Metalllegierung, als Stromkollektor. „Um einen verformbaren MSC zu implementieren, wird ein verformbarer Stromkollektor benötigt“, erklärt Kim gegenüber Nanowerk. „Allerdings bestehen die üblicherweise verwendeten Stromabnehmer aus spröden Materialien wie Gold (Au). Um dieses Problem anzugehen, haben wir uns für „flüssiges Metall“ entschieden, das von Natur aus die Eigenschaften einer Flüssigkeit und metallische Leitfähigkeit besitzt.“ Der Herstellungsprozess beginnt mit der Beschichtung eines dünnen Films aus EGaIn auf einem dehnbaren Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Substrat (SEBS), gefolgt von der Abscheidung einer Graphenschicht, die als aktives Elektrodenmaterial dient. Die Forscher tragen selektiv Graphen und EGaIn ab, um mithilfe eines Lasers ein ineinandergreifendes Muster zu erhalten. Dabei nutzen sie die starke Laserabsorption dieser Materialien im Vergleich zu transparentem SEBS. Durch sorgfältige Abstimmung der Laserintensität erzielen sie eine präzise Musterung, ohne das darunter liegende elastische Substrat zu beschädigen. Die Wahl der Materialien erweist sich als entscheidend für den Erfolg dieses Ansatzes. „Wir haben die Strukturierung des flüssigen Metalls erfolgreich erreicht, indem wir dessen hervorragende Absorption der Laserwellenlänge genutzt haben“, bemerkt Kim. „Darüber hinaus haben wir durch die Anpassung der Intensität des Lasers Schäden am Substrat verhindert, die durch die vom Laser induzierte Hitze verursacht werden, während sowohl das Graphen als auch das flüssige Metall vom Laser abgetragen wurden.“ Das SEBS-Substrat, das die Laserwellenlänge nicht absorbiert, kann der bei der Ablation erzeugten Wärme standhalten und ermöglicht die Erstellung hochauflösender Muster mit Elektrodenabständen von nur 90 µm. Die resultierenden MSCs weisen eine beeindruckende Leistung auf und erreichen Flächenkapazitäten von bis zu 1336 µF cm-2 unter Beibehaltung einer guten Ratefähigkeit. Wichtig ist, dass die Geräte unter verschiedenen mechanischen Verformungen, einschließlich Falten, Falten, Verdrehen und Dehnen, selbst nach 1000 Verformungszyklen keine nennenswerte Verschlechterung zeigen. „MSC mit einem Flüssigmetall-Stromkollektor zeigte keine Veränderung der Energiespeicherleistung bei verschiedenen mechanischen Verformungen und selbst nach wiederholten Verformungen“, betont Kim und unterstreicht das Potenzial dieser Geräte für die Stromversorgung tragbarer und flexibler Elektronik. Um das praktische Potenzial ihrer MSCs zu demonstrieren, integrierten die Forscher eine Reihe von Geräten mit Leuchtdioden, um ein dehnbares Beleuchtungssystem zu schaffen. Das System behielt seinen stabilen Betrieb auch unter starker Biegung, Verdrehung und Dehnung bei und demonstrierte damit die Fähigkeit der MSCs, verformbare Elektronik zuverlässig mit Strom zu versorgen. Mit Blick auf die Zukunft sehen Kim und Yang Raum für weitere Verbesserungen und spannende Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen. „Im Bereich der MSCs bleibt das gleichzeitige Erreichen einer hohen Energiedichte und einer hohen Verformbarkeit eine große Herausforderung“, stellen sie fest. „Denn bei der mechanischen Verformung muss nicht nur die Grenzfläche zwischen Stromkollektor und Aktivmaterial gut erhalten bleiben, sondern auch die Energiedichte der Aktivmaterialien selbst erhöht werden. Daher sollte dieses Problem gelöst werden.“ Während weitere Arbeiten erforderlich sind, um die mechanische Haltbarkeit des in diesen MSCs verwendeten Gelelektrolyten zu verbessern, stellt die Verwendung laserstrukturierter Flüssigmetallelektroden einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung wirklich verformbarer Energiespeicherlösungen dar. Da tragbare Technologien immer weiter voranschreiten, werden Innovationen wie diese eine entscheidende Rolle dabei spielen, sicherzustellen, dass sich unsere Geräte an die Anforderungen unseres dynamischen Lebensstils anpassen können. Von intelligenter Kleidung, die unsere Gesundheit überwacht, bis hin zu biomedizinischen Implantaten, die sich unserem Körper anpassen – die Zukunft der tragbaren Elektronik wird auf Energiespeichersystemen basieren, die nicht nur kompakt und leistungsstark, sondern auch so flexibel sind wie wir. Mit ihrer einzigartigen Kombination aus Flüssigmetallleitern, elastischen Substraten und hoher elektrochemischer Leistung bieten die MSCs auf Graphenbasis einen spannenden Einblick in diese Zukunft und erweitern die Grenzen dessen, was in der tragbaren Energiespeicherung möglich ist. Während die Forschung in diesem Bereich voranschreitet, können wir uns auf eine neue Generation tragbarer Geräte freuen, die sich nahtlos in unser Leben integrieren und durch verformbare Energiespeicherlösungen ausgestattet sind, die uns niemals zurückhalten.
a Darstellung eines integrierten Systems aus Softelektronik und verformbarer Energiespeicherkomponente. b Der Herstellungsprozess von EGaIn-basiertem MSC. c UV-Vis-Spektren von SEBS, EGaIn und Graphen. FE-SEM-Bilder der Laserablation d Graphen/EGaIn und e EGaIn (Maßstabsbalken = 200 µm). Fotos von f Institutslogos, g deformierte Logos und h eine LED, die an den MSC-Schaltkreis angeschlossen ist (Maßstabsbalken = 1 cm). (Bild: © npj Flexible Electronics) Die entscheidende Innovation liegt in der Verwendung von eutektischem Gallium-Indium (EGaIn), einer flüssigen Metalllegierung, als Stromkollektor. „Um einen verformbaren MSC zu implementieren, wird ein verformbarer Stromkollektor benötigt“, erklärt Kim gegenüber Nanowerk. „Allerdings bestehen die üblicherweise verwendeten Stromabnehmer aus spröden Materialien wie Gold (Au). Um dieses Problem anzugehen, haben wir uns für „flüssiges Metall“ entschieden, das von Natur aus die Eigenschaften einer Flüssigkeit und metallische Leitfähigkeit besitzt.“ Der Herstellungsprozess beginnt mit der Beschichtung eines dünnen Films aus EGaIn auf einem dehnbaren Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Substrat (SEBS), gefolgt von der Abscheidung einer Graphenschicht, die als aktives Elektrodenmaterial dient. Die Forscher tragen selektiv Graphen und EGaIn ab, um mithilfe eines Lasers ein ineinandergreifendes Muster zu erhalten. Dabei nutzen sie die starke Laserabsorption dieser Materialien im Vergleich zu transparentem SEBS. Durch sorgfältige Abstimmung der Laserintensität erzielen sie eine präzise Musterung, ohne das darunter liegende elastische Substrat zu beschädigen. Die Wahl der Materialien erweist sich als entscheidend für den Erfolg dieses Ansatzes. „Wir haben die Strukturierung des flüssigen Metalls erfolgreich erreicht, indem wir dessen hervorragende Absorption der Laserwellenlänge genutzt haben“, bemerkt Kim. „Darüber hinaus haben wir durch die Anpassung der Intensität des Lasers Schäden am Substrat verhindert, die durch die vom Laser induzierte Hitze verursacht werden, während sowohl das Graphen als auch das flüssige Metall vom Laser abgetragen wurden.“ Das SEBS-Substrat, das die Laserwellenlänge nicht absorbiert, kann der bei der Ablation erzeugten Wärme standhalten und ermöglicht die Erstellung hochauflösender Muster mit Elektrodenabständen von nur 90 µm. Die resultierenden MSCs weisen eine beeindruckende Leistung auf und erreichen Flächenkapazitäten von bis zu 1336 µF cm-2 unter Beibehaltung einer guten Ratefähigkeit. Wichtig ist, dass die Geräte unter verschiedenen mechanischen Verformungen, einschließlich Falten, Falten, Verdrehen und Dehnen, selbst nach 1000 Verformungszyklen keine nennenswerte Verschlechterung zeigen. „MSC mit einem Flüssigmetall-Stromkollektor zeigte keine Veränderung der Energiespeicherleistung bei verschiedenen mechanischen Verformungen und selbst nach wiederholten Verformungen“, betont Kim und unterstreicht das Potenzial dieser Geräte für die Stromversorgung tragbarer und flexibler Elektronik. Um das praktische Potenzial ihrer MSCs zu demonstrieren, integrierten die Forscher eine Reihe von Geräten mit Leuchtdioden, um ein dehnbares Beleuchtungssystem zu schaffen. Das System behielt seinen stabilen Betrieb auch unter starker Biegung, Verdrehung und Dehnung bei und demonstrierte damit die Fähigkeit der MSCs, verformbare Elektronik zuverlässig mit Strom zu versorgen. Mit Blick auf die Zukunft sehen Kim und Yang Raum für weitere Verbesserungen und spannende Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen. „Im Bereich der MSCs bleibt das gleichzeitige Erreichen einer hohen Energiedichte und einer hohen Verformbarkeit eine große Herausforderung“, stellen sie fest. „Denn bei der mechanischen Verformung muss nicht nur die Grenzfläche zwischen Stromkollektor und Aktivmaterial gut erhalten bleiben, sondern auch die Energiedichte der Aktivmaterialien selbst erhöht werden. Daher sollte dieses Problem gelöst werden.“ Während weitere Arbeiten erforderlich sind, um die mechanische Haltbarkeit des in diesen MSCs verwendeten Gelelektrolyten zu verbessern, stellt die Verwendung laserstrukturierter Flüssigmetallelektroden einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung wirklich verformbarer Energiespeicherlösungen dar. Da tragbare Technologien immer weiter voranschreiten, werden Innovationen wie diese eine entscheidende Rolle dabei spielen, sicherzustellen, dass sich unsere Geräte an die Anforderungen unseres dynamischen Lebensstils anpassen können. Von intelligenter Kleidung, die unsere Gesundheit überwacht, bis hin zu biomedizinischen Implantaten, die sich unserem Körper anpassen – die Zukunft der tragbaren Elektronik wird auf Energiespeichersystemen basieren, die nicht nur kompakt und leistungsstark, sondern auch so flexibel sind wie wir. Mit ihrer einzigartigen Kombination aus Flüssigmetallleitern, elastischen Substraten und hoher elektrochemischer Leistung bieten die MSCs auf Graphenbasis einen spannenden Einblick in diese Zukunft und erweitern die Grenzen dessen, was in der tragbaren Energiespeicherung möglich ist. Während die Forschung in diesem Bereich voranschreitet, können wir uns auf eine neue Generation tragbarer Geräte freuen, die sich nahtlos in unser Leben integrieren und durch verformbare Energiespeicherlösungen ausgestattet sind, die uns niemals zurückhalten.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
