18 Μαρτίου 2024 (Προβολέας Nanowerk) Η έλευση της τεχνολογίας φορητών συσκευών έχει φέρει μαζί της μια πιεστική ανάγκη για λύσεις αποθήκευσης ενέργειας που μπορούν να συμβαδίζουν με την ευελιξία και την ελαστικότητα των μαλακών ηλεκτρονικών συσκευών. Συμβατικές άκαμπτες μπαταρίες και υπερσυμπιεστές έχουν αποδειχθεί ανεπαρκείς για απρόσκοπτη ενσωμάτωση σε φορητές συσκευές που πρέπει να συμμορφώνονται με το ανθρώπινο σώμα και να αντέχουν στην καταπόνηση της καθημερινής χρήσης. Αυτή η αναντιστοιχία μεταξύ αποθήκευσης ενέργειας και ευελιξίας της συσκευής έχει εμποδίσει την πρόοδο σε τομείς όπως η παρακολούθηση της υγείας, τα έξυπνα υφάσματα και τα βιοϊατρικά εμφυτεύματα. Οι μικρο-υπερπυκνωτές (MSC) έχουν αναδειχθεί ως ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για παραμορφώσιμη αποθήκευση ενέργειας, χάρη στην υψηλή πυκνότητα ισχύος, την ταχεία φόρτιση και τη μεγάλη διάρκεια ζωής τους. Ωστόσο, η δημιουργία των περίπλοκων μοτίβων αλληλοψηφιακών ηλεκτροδίων που είναι απαραίτητα για τα MSC υψηλής απόδοσης με χρήση υλικών που μπορούν να αντέξουν επαναλαμβανόμενα τέντωμα και συστροφή έχει αποδειχθεί πρόκληση. Ενώ οι ερευνητές έχουν κάνει βήματα για την ενίσχυση της ευελιξίας μέσω εφευρετικών σχεδίων και ελαστικών υποστρωμάτων, πολλές προσεγγίσεις απαιτούν πολύπλοκη κατασκευή και εξακολουθούν να αποτυγχάνουν κάτω από ακραία παραμόρφωση. Τώρα, μια συλλογική ερευνητική προσπάθεια με επικεφαλής τον Δρ. Chanwoo Yang από το Ινστιτούτο Βιομηχανικής Τεχνολογίας της Κορέας και τον καθηγητή Τζιν Κον Κιμ από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang, έδωσε μια πιθανή λύση. Στην εργασία τους που δημοσιεύτηκε στο npj Ευέλικτα Ηλεκτρονικά (Παραμορφώσιμος μικρο-υπερπυκνωτής κατασκευασμένος μέσω σχεδίασης αφαίρεσης λέιζερ από γραφένιο/υγρό μέταλλο), η ομάδα περιγράφει λεπτομερώς την κατασκευή εξαιρετικά παραμορφώσιμων graφένιο βασισμένα MSC χρησιμοποιώντας υγρό μέταλλο συλλέκτες ρεύματος σε ελαστικό πολυμερές υπόστρωμα.
a Απεικόνιση ενός ολοκληρωμένου συστήματος που περιλαμβάνει μαλακά ηλεκτρονικά και παραμορφώσιμο στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας. b Η διαδικασία κατασκευής MSC που βασίζεται σε EGaIn. c Φάσματα UV-vis των SEBS, EGaIn και γραφενίου. Εικόνες FE-SEM με αφαίρεση με λέιζερ d Graphene/EGaIn και e EGaIn (Γραμμή κλίμακας = 200 μm). Φωτογραφίες του f λογότυπα ινστιτούτου, g παραμορφωμένα λογότυπα και h ένα LED συνδεδεμένο στο κύκλωμα MSC (Μπάρα κλίμακας = 1 cm). (Εικόνα: © npj Flexible Electronics) Η βασική καινοτομία έγκειται στη χρήση του ευτηκτικού γαλλίου-ινδίου (EGaIn), ενός υγρού κράματος μετάλλων, ως τρέχοντος συλλέκτη. «Για να εφαρμοστεί ένα παραμορφώσιμο MSC, χρειάζεται ένας παραμορφώσιμος συλλέκτης ρεύματος», εξηγεί ο Kim στο Nanowerk. «Ωστόσο, οι συλλέκτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι κατασκευασμένοι από εύθραυστα υλικά όπως ο χρυσός (Au). Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, επιλέξαμε το «υγρό μέταλλο» που έχει εγγενώς τις ιδιότητες υγρής και μεταλλικής αγωγιμότητας». Η διαδικασία κατασκευής ξεκινά με την επίστρωση μιας λεπτής μεμβράνης EGaIn σε ένα εκτατό υπόστρωμα στυρολίου-αιθυλενίου-βουτυλενίου-στυρενίου (SEBS), που ακολουθείται από την εναπόθεση ενός στρώματος γραφενίου για να χρησιμεύσει ως υλικό ενεργού ηλεκτροδίου. Οι ερευνητές αφαιρούν επιλεκτικά το γραφένιο και το EGaIn για να λάβουν διαψηφισμένο σχέδιο χρησιμοποιώντας λέιζερ, εκμεταλλευόμενοι την ισχυρή απορρόφηση λέιζερ αυτών των υλικών σε σύγκριση με το διαφανές SEBS. Ρυθμίζοντας προσεκτικά την ένταση του λέιζερ, επιτυγχάνουν ακριβή σχεδίαση χωρίς να καταστρέφουν το υποκείμενο ελαστικό υπόστρωμα. Η επιλογή των υλικών αποδεικνύεται καθοριστική για την επιτυχία αυτής της προσέγγισης. «Πετύχαμε με επιτυχία τη διαμόρφωση του υγρού μετάλλου χρησιμοποιώντας την εξαιρετική απορρόφηση του μήκους κύματος του λέιζερ», σημειώνει ο Kim. «Επιπλέον, ρυθμίζοντας την ένταση του λέιζερ, αποτρέψαμε τη ζημιά στο υπόστρωμα που προκαλείται από τη θερμότητα που προκαλείται από το λέιζερ, ενώ τόσο το γραφένιο όσο και το υγρό μέταλλο αφαιρέθηκαν από το λέιζερ». Το υπόστρωμα SEBS, το οποίο δεν απορροφά το μήκος κύματος του λέιζερ, μπορεί να αντέξει τη θερμότητα που παράγεται κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης, επιτρέποντας τη δημιουργία μοτίβων υψηλής ανάλυσης με κενά ηλεκτροδίων έως και 90 μm. Τα MSC που προκύπτουν επιδεικνύουν εντυπωσιακή απόδοση, επιτυγχάνοντας χωρητικότητα περιοχής έως και 1336 μF cm-2 διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα καλής τιμής. Είναι σημαντικό ότι οι συσκευές δεν παρουσιάζουν σημαντική υποβάθμιση κάτω από διάφορες μηχανικές παραμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένης της πτυχής, του τσαλακώματος, της συστροφής και του τεντώματος, ακόμη και μετά από 1000 κύκλους παραμόρφωσης. «Το MSC χρησιμοποιώντας συλλέκτη ρεύματος υγρού μετάλλου δεν έδειξε καμία αλλαγή στην απόδοση αποθήκευσης ενέργειας κάτω από διάφορες μηχανικές παραμορφώσεις και ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις», τονίζει ο Kim, τονίζοντας τη δυνατότητα αυτών των συσκευών να τροφοδοτούν φορετά και εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Για να δείξουν τις πρακτικές δυνατότητες των MSC τους, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν μια σειρά συσκευών με διόδους εκπομπής φωτός για να δημιουργήσουν ένα εκτατό σύστημα φωτισμού. Το σύστημα διατήρησε σταθερή λειτουργία υπό σοβαρή κάμψη, συστροφή και τέντωμα, επιδεικνύοντας την ικανότητα των MSC να τροφοδοτούν αξιόπιστα τα παραμορφώσιμα ηλεκτρονικά. Κοιτάζοντας το μέλλον, ο Kim και ο Yang βλέπουν περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης και συναρπαστικές δυνατότητες για μελλοντικές εφαρμογές. «Στον τομέα των MSCs, η ταυτόχρονη επίτευξη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και υψηλής παραμορφωσιμότητας παραμένει μια σημαντική πρόκληση», σημειώνουν. «Αυτό συμβαίνει επειδή, κατά τη μηχανική παραμόρφωση, όχι μόνο η διεπαφή μεταξύ του συλλέκτη ρεύματος και του ενεργού υλικού πρέπει να διατηρείται καλά, αλλά και η ενεργειακή πυκνότητα των ίδιων των ενεργών υλικών πρέπει να αυξάνεται. Επομένως, αυτό το ζήτημα πρέπει να επιλυθεί». Ενώ απαιτείται πρόσθετη εργασία για την ενίσχυση της μηχανικής ανθεκτικότητας του ηλεκτρολύτη γέλης που χρησιμοποιείται σε αυτά τα MSC, η χρήση ηλεκτροδίων υγρού μετάλλου με μοτίβο λέιζερ αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη λύσεων αποθήκευσης ενέργειας πραγματικά παραμορφώσιμων. Καθώς οι τεχνολογίες φορητών συσκευών συνεχίζουν να προοδεύουν, καινοτομίες όπως αυτές θα διαδραματίσουν ζωτικό ρόλο στη διασφάλιση ότι οι συσκευές μας μπορούν να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις του δυναμικού τρόπου ζωής μας. Από έξυπνα ρούχα που παρακολουθούν την υγεία μας έως βιοϊατρικά εμφυτεύματα που ταιριάζουν με το σώμα μας, το μέλλον των φορητών ηλεκτρονικών θα βασίζεται σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που δεν είναι μόνο συμπαγή και ισχυρά αλλά και τόσο ευέλικτα όσο εμείς. Με τον μοναδικό συνδυασμό αγωγών υγρών μετάλλων, ελαστικών υποστρωμάτων και υψηλής ηλεκτροχημικής απόδοσης, τα MSC με βάση το γραφένιο προσφέρουν μια συναρπαστική ματιά σε αυτό το μέλλον, διευρύνοντας τα όρια του δυνατού στην αποθήκευση ενέργειας που φοριέται. Καθώς η έρευνα σε αυτόν τον τομέα προχωρά, μπορούμε να προσβλέπουμε σε μια νέα γενιά φορητών συσκευών που ενσωματώνονται άψογα στη ζωή μας, ενδυναμωμένες από παραμορφώσιμες λύσεις αποθήκευσης ενέργειας που δεν μας κρατούν ποτέ πίσω.
a Απεικόνιση ενός ολοκληρωμένου συστήματος που περιλαμβάνει μαλακά ηλεκτρονικά και παραμορφώσιμο στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας. b Η διαδικασία κατασκευής MSC που βασίζεται σε EGaIn. c Φάσματα UV-vis των SEBS, EGaIn και γραφενίου. Εικόνες FE-SEM με αφαίρεση με λέιζερ d Graphene/EGaIn και e EGaIn (Γραμμή κλίμακας = 200 μm). Φωτογραφίες του f λογότυπα ινστιτούτου, g παραμορφωμένα λογότυπα και h ένα LED συνδεδεμένο στο κύκλωμα MSC (Μπάρα κλίμακας = 1 cm). (Εικόνα: © npj Flexible Electronics) Η βασική καινοτομία έγκειται στη χρήση του ευτηκτικού γαλλίου-ινδίου (EGaIn), ενός υγρού κράματος μετάλλων, ως τρέχοντος συλλέκτη. «Για να εφαρμοστεί ένα παραμορφώσιμο MSC, χρειάζεται ένας παραμορφώσιμος συλλέκτης ρεύματος», εξηγεί ο Kim στο Nanowerk. «Ωστόσο, οι συλλέκτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι κατασκευασμένοι από εύθραυστα υλικά όπως ο χρυσός (Au). Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, επιλέξαμε το «υγρό μέταλλο» που έχει εγγενώς τις ιδιότητες υγρής και μεταλλικής αγωγιμότητας». Η διαδικασία κατασκευής ξεκινά με την επίστρωση μιας λεπτής μεμβράνης EGaIn σε ένα εκτατό υπόστρωμα στυρολίου-αιθυλενίου-βουτυλενίου-στυρενίου (SEBS), που ακολουθείται από την εναπόθεση ενός στρώματος γραφενίου για να χρησιμεύσει ως υλικό ενεργού ηλεκτροδίου. Οι ερευνητές αφαιρούν επιλεκτικά το γραφένιο και το EGaIn για να λάβουν διαψηφισμένο σχέδιο χρησιμοποιώντας λέιζερ, εκμεταλλευόμενοι την ισχυρή απορρόφηση λέιζερ αυτών των υλικών σε σύγκριση με το διαφανές SEBS. Ρυθμίζοντας προσεκτικά την ένταση του λέιζερ, επιτυγχάνουν ακριβή σχεδίαση χωρίς να καταστρέφουν το υποκείμενο ελαστικό υπόστρωμα. Η επιλογή των υλικών αποδεικνύεται καθοριστική για την επιτυχία αυτής της προσέγγισης. «Πετύχαμε με επιτυχία τη διαμόρφωση του υγρού μετάλλου χρησιμοποιώντας την εξαιρετική απορρόφηση του μήκους κύματος του λέιζερ», σημειώνει ο Kim. «Επιπλέον, ρυθμίζοντας την ένταση του λέιζερ, αποτρέψαμε τη ζημιά στο υπόστρωμα που προκαλείται από τη θερμότητα που προκαλείται από το λέιζερ, ενώ τόσο το γραφένιο όσο και το υγρό μέταλλο αφαιρέθηκαν από το λέιζερ». Το υπόστρωμα SEBS, το οποίο δεν απορροφά το μήκος κύματος του λέιζερ, μπορεί να αντέξει τη θερμότητα που παράγεται κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης, επιτρέποντας τη δημιουργία μοτίβων υψηλής ανάλυσης με κενά ηλεκτροδίων έως και 90 μm. Τα MSC που προκύπτουν επιδεικνύουν εντυπωσιακή απόδοση, επιτυγχάνοντας χωρητικότητα περιοχής έως και 1336 μF cm-2 διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα καλής τιμής. Είναι σημαντικό ότι οι συσκευές δεν παρουσιάζουν σημαντική υποβάθμιση κάτω από διάφορες μηχανικές παραμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένης της πτυχής, του τσαλακώματος, της συστροφής και του τεντώματος, ακόμη και μετά από 1000 κύκλους παραμόρφωσης. «Το MSC χρησιμοποιώντας συλλέκτη ρεύματος υγρού μετάλλου δεν έδειξε καμία αλλαγή στην απόδοση αποθήκευσης ενέργειας κάτω από διάφορες μηχανικές παραμορφώσεις και ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις», τονίζει ο Kim, τονίζοντας τη δυνατότητα αυτών των συσκευών να τροφοδοτούν φορετά και εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Για να δείξουν τις πρακτικές δυνατότητες των MSC τους, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν μια σειρά συσκευών με διόδους εκπομπής φωτός για να δημιουργήσουν ένα εκτατό σύστημα φωτισμού. Το σύστημα διατήρησε σταθερή λειτουργία υπό σοβαρή κάμψη, συστροφή και τέντωμα, επιδεικνύοντας την ικανότητα των MSC να τροφοδοτούν αξιόπιστα τα παραμορφώσιμα ηλεκτρονικά. Κοιτάζοντας το μέλλον, ο Kim και ο Yang βλέπουν περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης και συναρπαστικές δυνατότητες για μελλοντικές εφαρμογές. «Στον τομέα των MSCs, η ταυτόχρονη επίτευξη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και υψηλής παραμορφωσιμότητας παραμένει μια σημαντική πρόκληση», σημειώνουν. «Αυτό συμβαίνει επειδή, κατά τη μηχανική παραμόρφωση, όχι μόνο η διεπαφή μεταξύ του συλλέκτη ρεύματος και του ενεργού υλικού πρέπει να διατηρείται καλά, αλλά και η ενεργειακή πυκνότητα των ίδιων των ενεργών υλικών πρέπει να αυξάνεται. Επομένως, αυτό το ζήτημα πρέπει να επιλυθεί». Ενώ απαιτείται πρόσθετη εργασία για την ενίσχυση της μηχανικής ανθεκτικότητας του ηλεκτρολύτη γέλης που χρησιμοποιείται σε αυτά τα MSC, η χρήση ηλεκτροδίων υγρού μετάλλου με μοτίβο λέιζερ αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη λύσεων αποθήκευσης ενέργειας πραγματικά παραμορφώσιμων. Καθώς οι τεχνολογίες φορητών συσκευών συνεχίζουν να προοδεύουν, καινοτομίες όπως αυτές θα διαδραματίσουν ζωτικό ρόλο στη διασφάλιση ότι οι συσκευές μας μπορούν να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις του δυναμικού τρόπου ζωής μας. Από έξυπνα ρούχα που παρακολουθούν την υγεία μας έως βιοϊατρικά εμφυτεύματα που ταιριάζουν με το σώμα μας, το μέλλον των φορητών ηλεκτρονικών θα βασίζεται σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που δεν είναι μόνο συμπαγή και ισχυρά αλλά και τόσο ευέλικτα όσο εμείς. Με τον μοναδικό συνδυασμό αγωγών υγρών μετάλλων, ελαστικών υποστρωμάτων και υψηλής ηλεκτροχημικής απόδοσης, τα MSC με βάση το γραφένιο προσφέρουν μια συναρπαστική ματιά σε αυτό το μέλλον, διευρύνοντας τα όρια του δυνατού στην αποθήκευση ενέργειας που φοριέται. Καθώς η έρευνα σε αυτόν τον τομέα προχωρά, μπορούμε να προσβλέπουμε σε μια νέα γενιά φορητών συσκευών που ενσωματώνονται άψογα στη ζωή μας, ενδυναμωμένες από παραμορφώσιμες λύσεις αποθήκευσης ενέργειας που δεν μας κρατούν ποτέ πίσω.
– Ο Michael είναι συγγραφέας τριών βιβλίων από τη Royal Society of Chemistry:
Νανο-κοινωνία: Προώθηση των ορίων της τεχνολογίας,
Νανοτεχνολογία: Το μέλλον είναι μικροσκοπικό, να
Νανομηχανική: Οι δεξιότητες και τα εργαλεία που καθιστούν την τεχνολογία αόρατη
Copyright ©
Nanowerk LLC
Γίνετε συγγραφέας προσκεκλημένων! Εγγραφείτε στη μεγάλη και αναπτυσσόμενη ομάδα μας συμμετέχοντες. Μόλις δημοσιεύσατε μια επιστημονική εργασία ή έχετε άλλες συναρπαστικές εξελίξεις για κοινή χρήση με την κοινότητα νανοτεχνολογίας; Δείτε πώς μπορείτε να δημοσιεύσετε στο nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
