18. marec 2024 (Žarišče Nanowerk) Pojav nosljive tehnologije je s seboj prinesel nujno potrebo po rešitvah za shranjevanje energije, ki lahko držijo korak s prilagodljivostjo in raztegljivostjo mehkih elektronskih naprav. Običajne toge baterije in superkondenzatorji so se izkazali za neustrezne za brezhibno integracijo v nosljive izdelke, ki se morajo prilagajati človeškemu telesu in vzdržati obremenitev vsakodnevne uporabe. To neskladje med shranjevanjem energije in prilagodljivostjo naprav je oviralo napredek na področjih, kot so spremljanje zdravja, pametni tekstil in biomedicinski vsadki. Mikrosuperkondenzatorji (MSC) so se izkazali kot obetavni kandidati za deformabilno shranjevanje energije, zahvaljujoč njihovi visoki gostoti moči, hitremu polnjenju in dolgi življenjski dobi. Vendar pa se je izkazalo, da je ustvarjanje zapletenih interdigitiranih elektrodnih vzorcev, potrebnih za visokozmogljive MSC, z uporabo materialov, ki lahko prenesejo ponavljajoče se raztezanje in zvijanje, zahtevno. Medtem ko so raziskovalci napredovali pri izboljšanju prožnosti z inventivnimi vzorci in elastičnimi substrati, mnogi pristopi zahtevajo zapleteno izdelavo in še vedno ne uspejo pri ekstremnih deformacijah. Zdaj skupna raziskovalna prizadevanja, ki jih vodita dr. Chanwoo Yang s Korejskega inštituta za industrijsko tehnologijo in prof. Jin Kon Kim z Univerze za znanost in tehnologijo Pohang, je prinesel potencialno rešitev. V svojem prispevku, objavljenem v npj Prilagodljiva elektronika ("Deformabilni mikro-superkondenzator, izdelan z lasersko ablacijo vzorčenja grafena/tekoče kovine"), ekipa podrobno opisuje izdelavo zelo deformabilnih Graphene ki temeljijo na uporabi MSC tekoča kovina odjemniki toka na elastičnem polimernem substratu.
a Ilustracija integriranega sistema, ki vključuje mehko elektroniko in deformabilno komponento za shranjevanje energije. b Postopek izdelave MSC na osnovi EGaIn. c UV-vis spektri SEBS, EGaIn in grafena. FE-SEM slike laserske ablacije d Grafen/EGaIn in e EGaIn (lestvica = 200 µm). Fotografije od f logotipi zavoda, g deformirani logotipi in h LED, priključen na vezje MSC (merilo = 1 cm). (Slika: © npj Flexible Electronics) Ključna novost je uporaba evtektičnega galij-indija (EGaIn), tekoče kovinske zlitine, kot odjemnika toka. »Za izvedbo deformabilnega MSC je potreben deformabilen odjemnik toka,« pojasnjuje Kim za Nanowerk. »Vendar so običajno uporabljeni odjemniki toka izdelani iz krhkih materialov, kot je zlato (Au). Da bi rešili to težavo, smo izbrali 'tekočo kovino', ki ima sama po sebi lastnosti tekočine in kovinske prevodnosti.« Postopek izdelave se začne s prevleko tankega filma EGaIn na raztegljiv substrat stiren-etilen-butilen-stiren (SEBS), čemur sledi nanos plasti grafena, ki služi kot material aktivne elektrode. Raziskovalci selektivno ablirajo grafen in EGaIn, da dobijo interdigitalni vzorec z uporabo laserja, pri čemer izkoriščajo močno lasersko absorpcijo teh materialov v primerjavi s prozornim SEBS. S skrbnim uravnavanjem intenzitete laserja dosežejo natančno vzorčenje, ne da bi pri tem poškodovali spodnji elastični substrat. Izbira materialov je ključnega pomena za uspeh tega pristopa. »Uspešno smo dosegli vzorčenje tekoče kovine z uporabo njene odlične absorpcije valovne dolžine laserja,« ugotavlja Kim. "Poleg tega smo s prilagajanjem intenzivnosti laserja preprečili poškodbe substrata, ki jih povzroča toplota, ki jo povzroča laser, medtem ko sta tako grafen kot tekoča kovina laser ablirala." Substrat SEBS, ki ne absorbira laserske valovne dolžine, lahko prenese toploto, ki nastane med ablacijo, kar omogoča ustvarjanje vzorcev visoke ločljivosti z režami elektrod, ki so majhne kot 90 µm. Nastali MSC imajo impresivno zmogljivost, saj dosegajo površinsko kapacitivnost do 1336 µF cm-2 ob ohranjanju dobre hitrosti. Pomembno je, da naprave ne kažejo pomembne degradacije pod različnimi mehanskimi deformacijami, vključno z zgibanjem, gubanjem, zvijanjem in raztezanjem, tudi po 1000 ciklih deformacije. "MSC, ki uporablja zbiralnik toka iz tekoče kovine, ni pokazal nobene spremembe v zmogljivosti shranjevanja energije pod različnimi mehanskimi deformacijami in celo po ponavljajočih se deformacijah," poudarja Kim in poudarja potencial teh naprav za napajanje nosljive in prilagodljive elektronike. Da bi prikazali praktični potencial svojih MSC, so raziskovalci integrirali niz naprav s svetlečimi diodami, da bi ustvarili raztegljiv sistem osvetlitve. Sistem je ohranil stabilno delovanje pri močnem upogibanju, zvijanju in raztezanju, kar je pokazalo sposobnost MSC za zanesljivo napajanje deformabilne elektronike. V prihodnosti Kim in Yang vidita prostor za nadaljnje izboljšave in vznemirljive možnosti za prihodnje aplikacije. "Na področju MSC je hkratno doseganje visoke energijske gostote in visoke deformabilnosti še vedno pomemben izziv," ugotavljajo. "To je zato, ker med mehansko deformacijo ni treba samo dobro vzdrževati vmesnika med zbiralnikom toka in aktivnim materialom, temveč je treba povečati tudi energijsko gostoto samih aktivnih materialov. Zato je treba to vprašanje rešiti.” Medtem ko je potrebno dodatno delo za povečanje mehanske vzdržljivosti gelnega elektrolita, uporabljenega v teh MSC, uporaba lasersko vzorčenih tekočih kovinskih elektrod predstavlja pomemben korak naprej pri razvoju resnično deformabilnih rešitev za shranjevanje energije. Ker nosljive tehnologije še naprej napredujejo, bodo takšne inovacije igrale ključno vlogo pri zagotavljanju, da se bodo naše naprave lahko prilagodile zahtevam našega dinamičnega življenjskega sloga. Od pametnih oblačil, ki spremljajo naše zdravje, do biomedicinskih vsadkov, ki se upogibajo z našimi telesi, bo prihodnost nosljive elektronike temeljila na sistemih za shranjevanje energije, ki niso le kompaktni in zmogljivi, ampak tudi tako prilagodljivi kot mi. S svojo edinstveno kombinacijo vodnikov iz tekočih kovin, elastičnih substratov in visoke elektrokemične zmogljivosti ponujajo MSC na osnovi grafena vznemirljiv vpogled v to prihodnost in raztezajo meje možnega v nosljivem shranjevanju energije. Ko raziskave na tem področju napredujejo, se lahko veselimo nove generacije nosljivih naprav, ki se nemoteno integrirajo v naša življenja, opolnomočene z deformabilnimi rešitvami za shranjevanje energije, ki nas nikoli ne ovirajo.
a Ilustracija integriranega sistema, ki vključuje mehko elektroniko in deformabilno komponento za shranjevanje energije. b Postopek izdelave MSC na osnovi EGaIn. c UV-vis spektri SEBS, EGaIn in grafena. FE-SEM slike laserske ablacije d Grafen/EGaIn in e EGaIn (lestvica = 200 µm). Fotografije od f logotipi zavoda, g deformirani logotipi in h LED, priključen na vezje MSC (merilo = 1 cm). (Slika: © npj Flexible Electronics) Ključna novost je uporaba evtektičnega galij-indija (EGaIn), tekoče kovinske zlitine, kot odjemnika toka. »Za izvedbo deformabilnega MSC je potreben deformabilen odjemnik toka,« pojasnjuje Kim za Nanowerk. »Vendar so običajno uporabljeni odjemniki toka izdelani iz krhkih materialov, kot je zlato (Au). Da bi rešili to težavo, smo izbrali 'tekočo kovino', ki ima sama po sebi lastnosti tekočine in kovinske prevodnosti.« Postopek izdelave se začne s prevleko tankega filma EGaIn na raztegljiv substrat stiren-etilen-butilen-stiren (SEBS), čemur sledi nanos plasti grafena, ki služi kot material aktivne elektrode. Raziskovalci selektivno ablirajo grafen in EGaIn, da dobijo interdigitalni vzorec z uporabo laserja, pri čemer izkoriščajo močno lasersko absorpcijo teh materialov v primerjavi s prozornim SEBS. S skrbnim uravnavanjem intenzitete laserja dosežejo natančno vzorčenje, ne da bi pri tem poškodovali spodnji elastični substrat. Izbira materialov je ključnega pomena za uspeh tega pristopa. »Uspešno smo dosegli vzorčenje tekoče kovine z uporabo njene odlične absorpcije valovne dolžine laserja,« ugotavlja Kim. "Poleg tega smo s prilagajanjem intenzivnosti laserja preprečili poškodbe substrata, ki jih povzroča toplota, ki jo povzroča laser, medtem ko sta tako grafen kot tekoča kovina laser ablirala." Substrat SEBS, ki ne absorbira laserske valovne dolžine, lahko prenese toploto, ki nastane med ablacijo, kar omogoča ustvarjanje vzorcev visoke ločljivosti z režami elektrod, ki so majhne kot 90 µm. Nastali MSC imajo impresivno zmogljivost, saj dosegajo površinsko kapacitivnost do 1336 µF cm-2 ob ohranjanju dobre hitrosti. Pomembno je, da naprave ne kažejo pomembne degradacije pod različnimi mehanskimi deformacijami, vključno z zgibanjem, gubanjem, zvijanjem in raztezanjem, tudi po 1000 ciklih deformacije. "MSC, ki uporablja zbiralnik toka iz tekoče kovine, ni pokazal nobene spremembe v zmogljivosti shranjevanja energije pod različnimi mehanskimi deformacijami in celo po ponavljajočih se deformacijah," poudarja Kim in poudarja potencial teh naprav za napajanje nosljive in prilagodljive elektronike. Da bi prikazali praktični potencial svojih MSC, so raziskovalci integrirali niz naprav s svetlečimi diodami, da bi ustvarili raztegljiv sistem osvetlitve. Sistem je ohranil stabilno delovanje pri močnem upogibanju, zvijanju in raztezanju, kar je pokazalo sposobnost MSC za zanesljivo napajanje deformabilne elektronike. V prihodnosti Kim in Yang vidita prostor za nadaljnje izboljšave in vznemirljive možnosti za prihodnje aplikacije. "Na področju MSC je hkratno doseganje visoke energijske gostote in visoke deformabilnosti še vedno pomemben izziv," ugotavljajo. "To je zato, ker med mehansko deformacijo ni treba samo dobro vzdrževati vmesnika med zbiralnikom toka in aktivnim materialom, temveč je treba povečati tudi energijsko gostoto samih aktivnih materialov. Zato je treba to vprašanje rešiti.” Medtem ko je potrebno dodatno delo za povečanje mehanske vzdržljivosti gelnega elektrolita, uporabljenega v teh MSC, uporaba lasersko vzorčenih tekočih kovinskih elektrod predstavlja pomemben korak naprej pri razvoju resnično deformabilnih rešitev za shranjevanje energije. Ker nosljive tehnologije še naprej napredujejo, bodo takšne inovacije igrale ključno vlogo pri zagotavljanju, da se bodo naše naprave lahko prilagodile zahtevam našega dinamičnega življenjskega sloga. Od pametnih oblačil, ki spremljajo naše zdravje, do biomedicinskih vsadkov, ki se upogibajo z našimi telesi, bo prihodnost nosljive elektronike temeljila na sistemih za shranjevanje energije, ki niso le kompaktni in zmogljivi, ampak tudi tako prilagodljivi kot mi. S svojo edinstveno kombinacijo vodnikov iz tekočih kovin, elastičnih substratov in visoke elektrokemične zmogljivosti ponujajo MSC na osnovi grafena vznemirljiv vpogled v to prihodnost in raztezajo meje možnega v nosljivem shranjevanju energije. Ko raziskave na tem področju napredujejo, se lahko veselimo nove generacije nosljivih naprav, ki se nemoteno integrirajo v naša življenja, opolnomočene z deformabilnimi rešitvami za shranjevanje energije, ki nas nikoli ne ovirajo.
– Michael je avtor treh knjig Royal Society of Chemistry:
Nano-družba: potiskanje meja tehnologije,
Nanotehnologija: Prihodnost je drobnain
Nanoinženiring: Spretnosti in orodja, zaradi katerih je tehnologija nevidna
Copyright ©
Nanowerk LLC
Postanite avtor Spotlight gosta! Pridružite se naši veliki in rastoči skupini gostujoči sodelavci. Ste pravkar objavili znanstveni članek ali imate kakšen zanimiv razvoj, ki bi ga delili z nanotehnološko skupnostjo? Tukaj je opis, kako objaviti na nanowerk.com.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
