Лаборатория Райса химика Джеймса Тура использует коммерческие лазеры для создания тонких гибких суперконденсаторов путем выжигания узоров на обычных полимерах. Лазер сжигает все, кроме углерода, на глубину 20 микрон на верхнем слое, который становится пеноподобной матрицей связанных между собой чешуек графена.Впервые пропитав полимер борной кислотой, исследователи в четыре раза увеличили способность суперконденсатора накапливать электрический заряд, значительно повысив его плотность энергии.
По их словам, простой производственный процесс может также подходить для изготовления катализаторов, автоэмиссионных транзисторов и компонентов для солнечных элементов и литий-ионных батарей.Исследование подробно описано в журнале Американского химического общества ACS Nano.
Конденсаторы заряжаются быстро и при необходимости высвобождают энергию всплесками, как во вспышке камеры. Суперконденсаторы увеличивают энергоемкость аккумуляторов и могут использоваться в электромобилях и других тяжелых приложениях. По мнению исследователей, возможность сжать их в небольшой, гибкий, легко производимый пакет может сделать их пригодными для многих других приложений.В более ранней работе группа, возглавляемая аспирантом Райс Чживэй Пэном, испытала множество полимеров и обнаружила, что коммерческий полиимид лучше всего подходит для этого процесса.
Для новой работы в лаборатории растворяли борную кислоту в полиаминовой кислоте и конденсировали ее в лист полиимида, насыщенный бором, который затем подвергали воздействию лазера.Двухэтапный процесс производит микросуперконденсаторы с четырехкратной способностью накапливать электрический заряд и в пять-десять раз большей плотностью энергии по сравнению с более ранней версией без бора. Новые устройства показали высокую стабильность в течение 12 000 циклов заряда-разряда, сохранив 90 процентов своей емкости.
Исследователи сообщили, что в стресс-тестах они отработали 8000 циклов изгиба без потери производительности.Тур сказал, что эта технология пригодна для промышленного производства микросуперконденсаторов. «То, что мы сделали, показывает, что огромные изменения и улучшения могут быть сделаны путем добавления других элементов и выполнения других химических процессов внутри полимерной пленки перед воздействием лазера», — сказал он.«Как только лазер обнажает его, эти другие элементы выполняют новые химические процессы, которые действительно повышают производительность суперконденсатора.
Это шаг к тому, чтобы сделать их еще более пригодными для промышленного применения».Соавторы статьи — аспиранты Райс Руквань Е, Данте Захидов и Илунь Ли; выпускник Джейсон Манн, химик-исследователь Exxon Chemical, и Цзян Линь, доцент Университета Миссури; и Престон Смолли, ученик Второй баптистской школы в Хьюстоне.
Тур — это T.T. и W.F. Кафедра химии Чао, а также профессор материаловедения, наноинженерии и информатики, а также член Института наноразмерных наук и технологий им.
Ричарда Смолли Райса.Управление научных исследований ВВС и его Междисциплинарная университетская исследовательская инициатива поддержали исследование.