18 mars 2024 (Nanowerk Spotlight) Tillkomsten av bärbar teknologi har fört med sig ett trängande behov av energilagringslösningar som kan hålla jämna steg med flexibiliteten och töjbarheten hos mjuka elektroniska enheter. Konventionella styva batterier och superkondensatorer har visat sig vara otillräckliga för sömlös integrering i wearables som måste anpassa sig till människokroppen och tåla påfrestningar från daglig användning. Denna bristande överensstämmelse mellan energilagring och enhetsflexibilitet har hindrat framsteg inom områden som hälsoövervakning, smarta textilier och biomedicinska implantat. Mikro-superkondensatorer (MSC) har dykt upp som en lovande kandidat för deformerbar energilagring, tack vare deras höga effekttäthet, snabba laddning och långa livslängd. Det har dock visat sig vara utmanande att skapa de intrikata interdigiterade elektrodmönster som krävs för högpresterande MSC:er med material som tål upprepade sträckningar och vridningar. Medan forskare har gjort framsteg i att förbättra flexibiliteten genom uppfinningsrik mönstring och elastiska substrat, kräver många tillvägagångssätt komplex tillverkning och misslyckas fortfarande under extrem deformation. Nu, ett forskningssamarbete som leds av Dr. Chanwoo Yang från Korea Institute of Industrial Technology och professor Jin Kon Kim från Pohang University of Science and Technology, har gett en potentiell lösning. I deras tidning publicerad i npj Flexibel elektronik ("Deformerbar mikrosuperkondensator tillverkad via laserablationsmönster av grafen/flytande metall"), teamet beskriver tillverkningen av mycket deformerbara grafen baserade MSC:er som använder flytande metall strömavtagare på ett elastiskt polymersubstrat.
a Illustration av ett integrerat system bestående av mjuk elektronik och deformerbar energilagringskomponent. b Tillverkningsprocessen av EGaIn-baserad MSC. c UV-vis spektra av SEBS, EGaIn och grafen. FE-SEM bilder av laser ablated d Grafen/EGaIn och e EGaIn (skalbar = 200 µm). Fotografier av f institutets logotyper, g deformerade logotyper och h en lysdiod ansluten till MSC-kretsen (Skalstång = 1 cm). (Bild: © npj Flexible Electronics) Den viktigaste innovationen ligger i användningen av eutektiskt galliumindium (EGaIn), en flytande metallegering, som strömavtagare. "För att implementera en deformerbar MSC behövs en deformerbar strömavtagare", förklarar Kim för Nanowerk. "De vanligaste strömsamlarna är dock gjorda av spröda material som guld (Au). För att lösa detta problem har vi valt "flytande metall" som inneboende har egenskaperna hos en flytande och metallisk konduktivitet." Tillverkningsprocessen börjar med att belägga en tunn film av EGaIn på ett töjbart styren-etylen-butylen-styren (SEBS) substrat, följt av avsättning av ett grafenskikt för att fungera som det aktiva elektrodmaterialet. Forskarna ablaterar selektivt grafen och EGaIn för att erhålla interdigitat mönster genom att använda laser, och utnyttjar den starka laserabsorptionen av dessa material jämfört med den transparenta SEBS. Genom att noggrant ställa in laserintensiteten uppnår de exakt mönstring utan att skada det underliggande elastiska substratet. Valet av material visar sig vara avgörande för framgången för detta tillvägagångssätt. "Vi uppnådde framgångsrikt mönstring av den flytande metallen genom att utnyttja dess utmärkta absorption av laserns våglängd", konstaterar Kim. "Dessutom, genom att justera intensiteten på lasern, förhindrade vi skador på substratet som orsakades av värmen som inducerades av laser, medan både grafen och flytande metall ablerades av lasern." SEBS-substratet, som inte absorberar laservåglängden, kan motstå värmen som genereras under ablation, vilket möjliggör skapandet av högupplösta mönster med elektrodgap så små som 90 µm. De resulterande MSC:erna uppvisar imponerande prestanda och uppnår ytkapacitanser upp till 1336 µF cm-2 samtidigt som man bibehåller god kapacitet. Viktigt är att enheterna inte visar någon signifikant försämring under olika mekaniska deformationer, inklusive vikning, skrynkling, vridning och sträckning, även efter 1000 deformationscykler. "MSC som använder en flytande metallströmavtagare visade ingen förändring i energilagringsprestanda under olika mekaniska deformationer och även efter upprepade deformationer," betonar Kim och lyfter fram potentialen för dessa enheter att driva bärbar och flexibel elektronik. För att demonstrera den praktiska potentialen hos deras MSC, integrerade forskarna en rad enheter med lysdioder för att skapa ett töjbart belysningssystem. Systemet bibehöll stabil drift under kraftig böjning, vridning och sträckning, vilket visar MSC:s förmåga att tillförlitligt driva deformerbar elektronik. När vi blickar framåt ser Kim och Yang utrymme för ytterligare förbättringar och spännande möjligheter för framtida tillämpningar. "Inom MSC-området är det fortfarande en betydande utmaning att samtidigt uppnå hög energitäthet och hög deformerbarhet", konstaterar de. "Detta beror på att under mekanisk deformation inte bara gränssnittet mellan strömavtagaren och det aktiva materialet bör bibehållas väl, utan även energitätheten hos de aktiva materialen i sig måste ökas. Därför bör denna fråga lösas." Även om ytterligare arbete krävs för att förbättra den mekaniska hållbarheten hos gelelektrolyten som används i dessa MSC, representerar användningen av lasermönstrade flytande metallelektroder ett betydande steg framåt i utvecklingen av verkligt deformerbara energilagringslösningar. När bärbara teknologier fortsätter att utvecklas kommer innovationer som dessa att spela en avgörande roll för att säkerställa att våra enheter kan anpassa sig till kraven i vår dynamiska livsstil. Från smarta kläder som övervakar vår hälsa till biomedicinska implantat som flexar med våra kroppar, framtiden för bärbar elektronik kommer att förlita sig på energilagringssystem som inte bara är kompakta och kraftfulla utan också lika flexibla som vi är. Med sin unika kombination av flytande metallledare, elastiska substrat och höga elektrokemiska prestanda ger de grafenbaserade MSC:erna en spännande inblick i den framtiden, och tänjer på gränserna för vad som är möjligt inom bärbar energilagring. När forskningen på detta område fortskrider kan vi se fram emot en ny generation bärbara enheter som sömlöst integreras med våra liv, förstärkta av deformerbara energilagringslösningar som aldrig håller oss tillbaka.
a Illustration av ett integrerat system bestående av mjuk elektronik och deformerbar energilagringskomponent. b Tillverkningsprocessen av EGaIn-baserad MSC. c UV-vis spektra av SEBS, EGaIn och grafen. FE-SEM bilder av laser ablated d Grafen/EGaIn och e EGaIn (skalbar = 200 µm). Fotografier av f institutets logotyper, g deformerade logotyper och h en lysdiod ansluten till MSC-kretsen (Skalstång = 1 cm). (Bild: © npj Flexible Electronics) Den viktigaste innovationen ligger i användningen av eutektiskt galliumindium (EGaIn), en flytande metallegering, som strömavtagare. "För att implementera en deformerbar MSC behövs en deformerbar strömavtagare", förklarar Kim för Nanowerk. "De vanligaste strömsamlarna är dock gjorda av spröda material som guld (Au). För att lösa detta problem har vi valt "flytande metall" som inneboende har egenskaperna hos en flytande och metallisk konduktivitet." Tillverkningsprocessen börjar med att belägga en tunn film av EGaIn på ett töjbart styren-etylen-butylen-styren (SEBS) substrat, följt av avsättning av ett grafenskikt för att fungera som det aktiva elektrodmaterialet. Forskarna ablaterar selektivt grafen och EGaIn för att erhålla interdigitat mönster genom att använda laser, och utnyttjar den starka laserabsorptionen av dessa material jämfört med den transparenta SEBS. Genom att noggrant ställa in laserintensiteten uppnår de exakt mönstring utan att skada det underliggande elastiska substratet. Valet av material visar sig vara avgörande för framgången för detta tillvägagångssätt. "Vi uppnådde framgångsrikt mönstring av den flytande metallen genom att utnyttja dess utmärkta absorption av laserns våglängd", konstaterar Kim. "Dessutom, genom att justera intensiteten på lasern, förhindrade vi skador på substratet som orsakades av värmen som inducerades av laser, medan både grafen och flytande metall ablerades av lasern." SEBS-substratet, som inte absorberar laservåglängden, kan motstå värmen som genereras under ablation, vilket möjliggör skapandet av högupplösta mönster med elektrodgap så små som 90 µm. De resulterande MSC:erna uppvisar imponerande prestanda och uppnår ytkapacitanser upp till 1336 µF cm-2 samtidigt som man bibehåller god kapacitet. Viktigt är att enheterna inte visar någon signifikant försämring under olika mekaniska deformationer, inklusive vikning, skrynkling, vridning och sträckning, även efter 1000 deformationscykler. "MSC som använder en flytande metallströmavtagare visade ingen förändring i energilagringsprestanda under olika mekaniska deformationer och även efter upprepade deformationer," betonar Kim och lyfter fram potentialen för dessa enheter att driva bärbar och flexibel elektronik. För att demonstrera den praktiska potentialen hos deras MSC, integrerade forskarna en rad enheter med lysdioder för att skapa ett töjbart belysningssystem. Systemet bibehöll stabil drift under kraftig böjning, vridning och sträckning, vilket visar MSC:s förmåga att tillförlitligt driva deformerbar elektronik. När vi blickar framåt ser Kim och Yang utrymme för ytterligare förbättringar och spännande möjligheter för framtida tillämpningar. "Inom MSC-området är det fortfarande en betydande utmaning att samtidigt uppnå hög energitäthet och hög deformerbarhet", konstaterar de. "Detta beror på att under mekanisk deformation inte bara gränssnittet mellan strömavtagaren och det aktiva materialet bör bibehållas väl, utan även energitätheten hos de aktiva materialen i sig måste ökas. Därför bör denna fråga lösas." Även om ytterligare arbete krävs för att förbättra den mekaniska hållbarheten hos gelelektrolyten som används i dessa MSC, representerar användningen av lasermönstrade flytande metallelektroder ett betydande steg framåt i utvecklingen av verkligt deformerbara energilagringslösningar. När bärbara teknologier fortsätter att utvecklas kommer innovationer som dessa att spela en avgörande roll för att säkerställa att våra enheter kan anpassa sig till kraven i vår dynamiska livsstil. Från smarta kläder som övervakar vår hälsa till biomedicinska implantat som flexar med våra kroppar, framtiden för bärbar elektronik kommer att förlita sig på energilagringssystem som inte bara är kompakta och kraftfulla utan också lika flexibla som vi är. Med sin unika kombination av flytande metallledare, elastiska substrat och höga elektrokemiska prestanda ger de grafenbaserade MSC:erna en spännande inblick i den framtiden, och tänjer på gränserna för vad som är möjligt inom bärbar energilagring. När forskningen på detta område fortskrider kan vi se fram emot en ny generation bärbara enheter som sömlöst integreras med våra liv, förstärkta av deformerbara energilagringslösningar som aldrig håller oss tillbaka.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
