新世代の液体金属マイクロスーパーキャパシタを伸ばし、ねじり、折り、しわを作る

18 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) ウェアラブル技術の出現により、ソフト電子デバイスの柔軟性と伸縮性に対応できるエネルギー貯蔵ソリューションの緊急の必要性がもたらされました。従来の硬質バッテリーとスーパーコンデンサー人体に適合し、日常使用の負担に耐える必要があるウェアラブルへのシームレスな統合には不十分であることが証明されています。エネルギー貯蔵とデバイスの柔軟性の間のこの不一致が、健康監視、スマートテキスタイル、生物医学的インプラントなどの分野の進歩を妨げてきました。マイクロスーパーキャパシタ（MSC）は、その高出力密度、急速充電、長いサイクル寿命のおかげで、変形可能なエネルギー貯蔵の有望な候補として浮上しています。しかし、繰り返しの伸縮やねじりに耐えられる材料を使用して、高性能 MSC に必要な複雑な櫛型電極パターンを作成することは困難であることが判明しています。研究者らは、独創的なパターニングと弾性基板によって柔軟性を高める点で進歩を遂げてきましたが、多くのアプローチは複雑な製造を必要とし、依然として極度の変形下では失敗します。現在、韓国産業技術研究院のChanwoo Yang博士と教授が主導する共同研究活動が行われています。キム・ジンコン浦項科学技術大学の博士らは、潜在的な解決策を生み出しました。に掲載された論文の中で、 npj フレキシブルエレクトロニクス (「グラフェン/液体金属のレーザーアブレーションパターニングによって作製された変形可能なマイクロスーパーキャパシタ」）、チームは高度に変形可能なものの製造について詳しく説明しています。グラフェンを使用したベースの MSC 液体金属弾性ポリマー基板上の集電体。変形可能なマイクロスーパーキャパシタの製造プロセス

a ソフトエレクトロニクスと変形可能なエネルギー貯蔵コンポーネントで構成される統合システムの図。 b EGaInベースのMSCの製造プロセス。 c SEBS、EGaIn、グラフェンの紫外可視スペクトル。レーザーアブレーション後のFE-SEM画像 d グラフェン/EGaInと e EGaIn (スケールバー = 200 μm)。の写真 f 研究所のロゴ、 g デフォルメされたロゴや、 h MSC 回路に接続された LED (スケールバー = 1 cm)。 (画像: © npj Flexible Electronics) 主な革新は、液体金属合金である共晶ガリウム - インジウム (EGaIn) を集電体として使用することにあります。「変形可能な MSC を実装するには、変形可能な集電装置が必要です」と Kim 氏は Nanowerk に説明します。「しかし、一般的に使用されている集電体は金（Au）のような脆い材料でできています。この問題に対処するために、私たちは液体と金属の導電性の特性を本質的に持つ「液体金属」を選択しました。」製造プロセスは、伸縮性のあるスチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS) 基板上に EGaIn の薄膜をコーティングすることから始まり、続いて活性電極材料として機能するグラフェン層を堆積します。研究者らは、透明なSEBSと比較してこれらの材料の強力なレーザー吸収を利用して、レーザーを使用してグラフェンとEGaInを選択的にアブレーションし、交互嵌合パターンを取得します。レーザー強度を慎重に調整することで、下にある弾性基板に損傷を与えることなく正確なパターニングを実現します。このアプローチの成功には、材料の選択が極めて重要であることがわかります。「レーザー波長の優れた吸収を利用することで、液体金属のパターニングに成功しました」とキム氏は述べています。「さらに、レーザーの強度を調整することで、グラフェンと液体金属の両方がレーザーによってアブレーションされる一方で、レーザーによって引き起こされる熱によって引き起こされる基板への損傷を防ぐことができました。」 SEBS 基板はレーザー波長を吸収しないため、アブレーション中に発生する熱に耐えることができ、電極ギャップが 90 µm 程度の高解像度パターンの作成が可能になります。結果として得られる MSC は優れた性能を示し、最大 1336 µF cm の面積静電容量を達成します。-2 良好なレート能力を維持しながら。重要なのは、このデバイスは、1000 回の変形サイクル後でも、折り曲げ、しわ、ねじり、引っ張りなどのさまざまな機械的変形を行っても、重大な劣化を示さないことです。「液体金属集電体を使用したMSCは、さまざまな機械的変形の下でも、繰り返し変形した後でも、エネルギー貯蔵性能に変化はありませんでした」とキム氏は強調し、これらのデバイスがウェアラブルでフレキシブルなエレクトロニクスに電力を供給する可能性を強調しました。 MSC の実用的な可能性を実証するために、研究者らは一連のデバイスを発光ダイオードと統合して、伸縮可能な照明システムを作成しました。このシステムは、激しい曲げ、ねじり、伸びの下でも安定した動作を維持し、変形可能な電子機器に確実に電力を供給する MSC の能力を示しました。今後を見据えて、Kim と Yang はさらなる改善の余地と、将来のアプリケーションの刺激的な可能性を考えています。「MSCの分野では、高エネルギー密度と高い変形能を同時に達成することが依然として大きな課題である」と彼らは指摘する。「これは、機械的変形中、集電体と活物質の間の界面が適切に維持されるだけでなく、活物質自体のエネルギー密度も増加する必要があるためです。したがって、この問題は解決されるべきです。」これらのMSCで使用されるゲル電解質の機械的耐久性を高めるには追加の作業が必要ですが、レーザーパターン化された液体金属電極の使用は、真に変形可能なエネルギー貯蔵ソリューションの開発において大きな前進となります。ウェアラブル技術が進歩し続けるにつれて、このようなイノベーションは、私たちのデバイスが私たちのダイナミックなライフスタイルの要求に確実に適応できるようにする上で重要な役割を果たすでしょう。私たちの健康状態を監視するスマートウェアから、身体に合わせて屈曲する生物医学的インプラントに至るまで、ウェアラブルエレクトロニクスの未来は、コンパクトで強力なだけでなく、私たちと同じくらい柔軟なエネルギー貯蔵システムに依存することになります。液体金属導体、弾性基板、および高い電気化学的性能のユニークな組み合わせにより、グラフェンベースのMSCは、ウェアラブルエネルギー貯蔵の可能性の限界を広げ、その未来への刺激的な垣間を提供します。この分野の研究が進むにつれて、私たちを妨げることのない変形可能なエネルギー貯蔵ソリューションによって強化され、私たちの生活にシームレスに統合される新世代のウェアラブルデバイスが期待できます。

By

Michael Liebreich
バーガー