18 maart 2024 (Nanowerk-schijnwerper) De komst van draagbare technologie heeft een dringende behoefte aan oplossingen voor energieopslag met zich meegebracht die gelijke tred kunnen houden met de flexibiliteit en rekbaarheid van zachte elektronische apparaten. Conventionele stijve batterijen en supercondensatoren zijn ontoereikend gebleken voor naadloze integratie in wearables die zich moeten aanpassen aan het menselijk lichaam en bestand moeten zijn tegen de belasting van dagelijks gebruik. Deze discrepantie tussen energieopslag en flexibiliteit van apparaten heeft de vooruitgang belemmerd op gebieden als gezondheidsmonitoring, slim textiel en biomedische implantaten. Micro-supercondensatoren (MSC's) zijn een veelbelovende kandidaat gebleken voor vervormbare energieopslag, dankzij hun hoge vermogensdichtheid, snel opladen en lange levensduur. Het creëren van de ingewikkelde, in elkaar grijpende elektrodepatronen die nodig zijn voor hoogwaardige MSC's met materialen die herhaaldelijk strekken en draaien kunnen verdragen, is echter een uitdaging gebleken. Hoewel onderzoekers vooruitgang hebben geboekt bij het vergroten van de flexibiliteit door middel van inventieve patronen en elastische substraten, vereisen veel benaderingen complexe fabricage en falen ze nog steeds onder extreme vervorming. Nu is er sprake van een gezamenlijke onderzoeksinspanning onder leiding van Dr. Chanwoo Yang van het Korea Institute of Industrial Technology en professor Jin Kon Kim van de Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie, heeft een mogelijke oplossing opgeleverd. In hun artikel gepubliceerd in npj flexibele elektronica (“Vervormbare micro-supercondensator vervaardigd via laserablatiepatronen van grafeen/vloeibaar metaal”), beschrijft het team de fabricage van zeer vervormbare materialen grafeen gebaseerde MSC's gebruiken vloeibaar metaal stroomcollectoren op een elastisch polymeersubstraat.
a Illustratie van een geïntegreerd systeem bestaande uit zachte elektronica en een vervormbare energieopslagcomponent. b Het fabricageproces van op EGaIn gebaseerde MSC. c UV-zichtspectra van SEBS, EGaIn en grafeen. FE-SEM-afbeeldingen van laserablatie d Grafeen/EGaIn en e EGaIn (schaalbalk = 200 µm). Foto's van f instituut logo's, g vervormde logo's, en h een LED aangesloten op het MSC-circuit (schaalbalk = 1 cm). (Afbeelding: © npj Flexible Electronics) De belangrijkste innovatie ligt in het gebruik van eutectisch gallium-indium (EGaIn), een vloeibare metaallegering, als stroomafnemer. “Om een vervormbare MSC te implementeren is een vervormbare stroomafnemer nodig”, legt Kim uit aan Nanowerk. “De veelgebruikte stroomafnemers zijn echter gemaakt van brosse materialen zoals goud (Au). Om dit probleem aan te pakken, hebben we gekozen voor ‘vloeibaar metaal’ dat inherent de eigenschappen van een vloeistof en metallische geleidbaarheid bezit.” Het fabricageproces begint met het coaten van een dunne film EGaIn op een rekbaar styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) substraat, gevolgd door de afzetting van een grafeenlaag die als actief elektrodemateriaal dient. De onderzoekers ablateren selectief grafeen en EGaIn om een interdigitatiepatroon te verkrijgen door laser te gebruiken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de sterke laserabsorptie van deze materialen in vergelijking met de transparante SEBS. Door de laserintensiteit zorgvuldig af te stemmen, bereiken ze nauwkeurige patronen zonder het onderliggende elastische substraat te beschadigen. De materiaalkeuze blijkt cruciaal voor het succes van deze aanpak. "We hebben met succes patronen in het vloeibare metaal kunnen aanbrengen door gebruik te maken van de uitstekende absorptie van de golflengte van de laser", merkt Kim op. “Bovendien hebben we, door de intensiteit van de laser aan te passen, de schade aan het substraat voorkomen die werd veroorzaakt door de door de laser veroorzaakte hitte, terwijl zowel het grafeen als het vloeibare metaal door de laser werden weggenomen.” Het SEBS-substraat, dat de lasergolflengte niet absorbeert, is bestand tegen de warmte die wordt gegenereerd tijdens ablatie, waardoor patronen met hoge resolutie kunnen worden gecreëerd met elektrodeafstanden van slechts 90 µm. De resulterende MSC's vertonen indrukwekkende prestaties en bereiken oppervlaktecapaciteiten tot 1336 µF cm-2 met behoud van een goed tariefvermogen. Belangrijk is dat de apparaten geen significante degradatie vertonen onder verschillende mechanische vervormingen, waaronder vouwen, kreuken, draaien en uitrekken, zelfs na 1000 vervormingscycli. “MSC die een stroomcollector van vloeibaar metaal gebruikte, vertoonde geen verandering in de energieopslagprestaties onder verschillende mechanische vervormingen en zelfs na herhaalde vervormingen”, benadrukt Kim, en benadrukt het potentieel van deze apparaten om draagbare en flexibele elektronica van stroom te voorzien. Om het praktische potentieel van hun MSC's aan te tonen, integreerden de onderzoekers een reeks apparaten met lichtgevende diodes om een rekbaar verlichtingssysteem te creëren. Het systeem bleef stabiel functioneren onder zwaar buigen, draaien en strekken, wat het vermogen van de MSC's aantoont om op betrouwbare wijze vervormbare elektronica van stroom te voorzien. Vooruitkijkend zien Kim en Yang ruimte voor verdere verbetering en opwindende mogelijkheden voor toekomstige toepassingen. "Op het gebied van MSC's blijft het gelijktijdig bereiken van een hoge energiedichtheid en een hoge vervormbaarheid een aanzienlijke uitdaging", merken ze op. “Dit komt omdat tijdens mechanische vervorming niet alleen het grensvlak tussen de stroomcollector en het actieve materiaal goed moet worden gehandhaafd, maar ook de energiedichtheid van de actieve materialen zelf moet worden verhoogd. Daarom moet dit probleem worden opgelost.” Hoewel er extra werk nodig is om de mechanische duurzaamheid van de gel-elektrolyt die in deze MSC's wordt gebruikt te verbeteren, vertegenwoordigt het gebruik van vloeibare metaalelektroden met laserpatroon een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van werkelijk vervormbare oplossingen voor energieopslag. Naarmate draagbare technologieën zich blijven ontwikkelen, zullen dit soort innovaties een cruciale rol spelen om ervoor te zorgen dat onze apparaten zich kunnen aanpassen aan de eisen van onze dynamische levensstijl. Van slimme kleding die onze gezondheid bewaakt tot biomedische implantaten die meebewegen met ons lichaam: de toekomst van draagbare elektronica zal afhankelijk zijn van energieopslagsystemen die niet alleen compact en krachtig zijn, maar ook net zo flexibel als wij. Met hun unieke combinatie van geleiders van vloeibaar metaal, elastische substraten en hoge elektrochemische prestaties bieden de op grafeen gebaseerde MSC's een opwindende blik op die toekomst, waarbij de grenzen worden verlegd van wat mogelijk is op het gebied van draagbare energieopslag. Naarmate het onderzoek op dit gebied vordert, kunnen we uitkijken naar een nieuwe generatie draagbare apparaten die naadloos in ons leven integreren, mogelijk gemaakt door vervormbare oplossingen voor energieopslag die ons nooit tegenhouden.
a Illustratie van een geïntegreerd systeem bestaande uit zachte elektronica en een vervormbare energieopslagcomponent. b Het fabricageproces van op EGaIn gebaseerde MSC. c UV-zichtspectra van SEBS, EGaIn en grafeen. FE-SEM-afbeeldingen van laserablatie d Grafeen/EGaIn en e EGaIn (schaalbalk = 200 µm). Foto's van f instituut logo's, g vervormde logo's, en h een LED aangesloten op het MSC-circuit (schaalbalk = 1 cm). (Afbeelding: © npj Flexible Electronics) De belangrijkste innovatie ligt in het gebruik van eutectisch gallium-indium (EGaIn), een vloeibare metaallegering, als stroomafnemer. “Om een vervormbare MSC te implementeren is een vervormbare stroomafnemer nodig”, legt Kim uit aan Nanowerk. “De veelgebruikte stroomafnemers zijn echter gemaakt van brosse materialen zoals goud (Au). Om dit probleem aan te pakken, hebben we gekozen voor ‘vloeibaar metaal’ dat inherent de eigenschappen van een vloeistof en metallische geleidbaarheid bezit.” Het fabricageproces begint met het coaten van een dunne film EGaIn op een rekbaar styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) substraat, gevolgd door de afzetting van een grafeenlaag die als actief elektrodemateriaal dient. De onderzoekers ablateren selectief grafeen en EGaIn om een interdigitatiepatroon te verkrijgen door laser te gebruiken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de sterke laserabsorptie van deze materialen in vergelijking met de transparante SEBS. Door de laserintensiteit zorgvuldig af te stemmen, bereiken ze nauwkeurige patronen zonder het onderliggende elastische substraat te beschadigen. De materiaalkeuze blijkt cruciaal voor het succes van deze aanpak. "We hebben met succes patronen in het vloeibare metaal kunnen aanbrengen door gebruik te maken van de uitstekende absorptie van de golflengte van de laser", merkt Kim op. “Bovendien hebben we, door de intensiteit van de laser aan te passen, de schade aan het substraat voorkomen die werd veroorzaakt door de door de laser veroorzaakte hitte, terwijl zowel het grafeen als het vloeibare metaal door de laser werden weggenomen.” Het SEBS-substraat, dat de lasergolflengte niet absorbeert, is bestand tegen de warmte die wordt gegenereerd tijdens ablatie, waardoor patronen met hoge resolutie kunnen worden gecreëerd met elektrodeafstanden van slechts 90 µm. De resulterende MSC's vertonen indrukwekkende prestaties en bereiken oppervlaktecapaciteiten tot 1336 µF cm-2 met behoud van een goed tariefvermogen. Belangrijk is dat de apparaten geen significante degradatie vertonen onder verschillende mechanische vervormingen, waaronder vouwen, kreuken, draaien en uitrekken, zelfs na 1000 vervormingscycli. “MSC die een stroomcollector van vloeibaar metaal gebruikte, vertoonde geen verandering in de energieopslagprestaties onder verschillende mechanische vervormingen en zelfs na herhaalde vervormingen”, benadrukt Kim, en benadrukt het potentieel van deze apparaten om draagbare en flexibele elektronica van stroom te voorzien. Om het praktische potentieel van hun MSC's aan te tonen, integreerden de onderzoekers een reeks apparaten met lichtgevende diodes om een rekbaar verlichtingssysteem te creëren. Het systeem bleef stabiel functioneren onder zwaar buigen, draaien en strekken, wat het vermogen van de MSC's aantoont om op betrouwbare wijze vervormbare elektronica van stroom te voorzien. Vooruitkijkend zien Kim en Yang ruimte voor verdere verbetering en opwindende mogelijkheden voor toekomstige toepassingen. "Op het gebied van MSC's blijft het gelijktijdig bereiken van een hoge energiedichtheid en een hoge vervormbaarheid een aanzienlijke uitdaging", merken ze op. “Dit komt omdat tijdens mechanische vervorming niet alleen het grensvlak tussen de stroomcollector en het actieve materiaal goed moet worden gehandhaafd, maar ook de energiedichtheid van de actieve materialen zelf moet worden verhoogd. Daarom moet dit probleem worden opgelost.” Hoewel er extra werk nodig is om de mechanische duurzaamheid van de gel-elektrolyt die in deze MSC's wordt gebruikt te verbeteren, vertegenwoordigt het gebruik van vloeibare metaalelektroden met laserpatroon een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van werkelijk vervormbare oplossingen voor energieopslag. Naarmate draagbare technologieën zich blijven ontwikkelen, zullen dit soort innovaties een cruciale rol spelen om ervoor te zorgen dat onze apparaten zich kunnen aanpassen aan de eisen van onze dynamische levensstijl. Van slimme kleding die onze gezondheid bewaakt tot biomedische implantaten die meebewegen met ons lichaam: de toekomst van draagbare elektronica zal afhankelijk zijn van energieopslagsystemen die niet alleen compact en krachtig zijn, maar ook net zo flexibel als wij. Met hun unieke combinatie van geleiders van vloeibaar metaal, elastische substraten en hoge elektrochemische prestaties bieden de op grafeen gebaseerde MSC's een opwindende blik op die toekomst, waarbij de grenzen worden verlegd van wat mogelijk is op het gebied van draagbare energieopslag. Naarmate het onderzoek op dit gebied vordert, kunnen we uitkijken naar een nieuwe generatie draagbare apparaten die naadloos in ons leven integreren, mogelijk gemaakt door vervormbare oplossingen voor energieopslag die ons nooit tegenhouden.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
