Электролит внутри батарей и суперконденсаторов может быть коррозионным или токсичным и почти всегда воспламеняется. Чтобы идти в ногу с нашими прогрессивными мобильными технологиями, в процессе проектирования устройств хранения энергии сокращался материал, что сделало их уязвимыми для короткого замыкания — как в недавних случаях с устройствами Samsung Galaxy Note, — которые в сочетании с присутствие горючего электролита может создать взрывоопасную ситуацию.
Поэтому вместо горючего раствора электролита устройство, разработанное Вибхой Калрой, доктором философии, профессором инженерного колледжа Дрекселя, и ее командой, использовали толстый ионно-богатый гелевый электролит, абсорбированный в отдельно стоящем коврике из пористых углеродных нановолокон, чтобы произвести жидкость. -бесплатное устройство. Группа, в которую вошли докторант Калры Сила Симотво и исследователи Темпл Стефани Вундер, доктор философии, и Парамесвара Чиннам, доктор философии, недавно опубликовали свой новый дизайн "твердотельного суперконденсатора без растворителей" в журнале Американского химического общества Applied Materials и интерфейсы.«Мы полностью исключили компонент, который может загореться в этих устройствах», — сказал Калра. «И при этом мы также создали электрод, который позволит устройствам накопления энергии стать легче и лучше».
Суперконденсаторы — еще один тип накопителя энергии. Они похожи на батареи в том, что они электростатически удерживают и выделяют энергию, но в наших технологиях — мобильных устройствах, ноутбуках, электромобилях — они, как правило, служат в качестве резервного источника питания, поскольку могут быстро расходовать накопленную энергию. , в отличие от батарей, которые работают в течение длительного периода использования.
Но, как и батареи, в суперконденсаторах используется легковоспламеняющийся раствор электролита, поэтому они уязвимы для утечки и возгорания.Суперконденсатор группы не только не содержит растворителей, что означает, что он не содержит горючих жидкостей, но и его компактная конструкция более долговечна, а его емкость хранения энергии и срок службы заряда-разряда лучше, чем у аналогичных устройств, используемых в настоящее время.
Он также может работать при температурах до 300 градусов по Цельсию, что означает, что он сделает мобильные устройства более долговечными и с меньшей вероятностью станут опасными для возгорания из-за неправильного обращения.«Чтобы обеспечить промышленно приемлемую толщину и нагрузку электрода, мы разработали тканевый электрод, состоящий из нановолокон, который обеспечивает четко определенную трехмерную структуру с открытыми порами для легкой инфузии предшественника твердого электролита», — сказал Калра. «Электрод с открытыми порами также не содержит связующих веществ, которые действуют как изоляторы и ухудшают характеристики».Ключом к созданию этого прочного устройства является волокнистый электродный каркас, который команда создала с помощью процесса, называемого электроспиннингом. В ходе этого процесса раствор полимера-предшественника углерода осаждается в виде волокнистого мата путем экструзии его посредством вращающегося электрического поля — процесс, который на микроскопическом уровне выглядит как приготовление сахарной ваты.
Затем ионогель абсорбируется матом из углеродного волокна, создавая полную сеть электрод-электролит. Его превосходные рабочие характеристики также связаны с этим уникальным способом сочетания растворов электрода и электролита.
Это потому, что они контактируют на большей площади поверхности.Если вы думаете о накопителе энергии как о миске кукурузных хлопьев, то место, где происходит накопление энергии, находится примерно там, где хлопья встречаются с молоком — ученые называют это «двойным электрическим слоем».
Здесь проводящий электрод, который накапливает электричество, встречается с раствором электролита, несущим электрический заряд. В идеале, в вашей миске для хлопьев молоко должно проходить через все хлопья, чтобы на каждом получился нужный слой — не слишком хрустящий и не слишком влажный. Но иногда хлопья накапливаются, и молоко — или раствор электролита, в случае нашего сравнения — не проходит до конца, поэтому хлопья наверху сухие, а хлопья внизу — сухие. насыщенный. Это плохая миска с хлопьями, и ее электрохимический эквивалент — пробка электронов на пути к участкам активации в электроде — не идеален для хранения энергии.
Твердотельный суперконденсатор Kalra — это как положить в миску измельченную пшеницу, а не кукурузные хлопья. Открытая архитектура позволяет молоку проникать и покрывать зерновые хлопья, так же как ионогель проникает через мат из углеродного волокна в твердотельном суперконденсаторе Kalra. Мат обеспечивает большую площадь поверхности для доступа ионов из ионогеля к электроду, что увеличивает емкость и улучшает характеристики устройства накопления энергии. Это также устраняет необходимость во многих материалах строительных лесов, которые являются важными частями формирования физического электрода, но не играют роли в процессе накопления энергии и вносят значительный вклад в общий вес устройства.
«Современные электроды состоят из мелкодисперсных порошков, которые необходимо смешать со связующими веществами и превратить в суспензию, которую затем наносят в устройство. Эти связующие добавляют устройству собственный вес, поскольку они не являются проводящими материалами, и они фактически мешают его работе », — сказал Калра. «Наши электроды являются отдельно стоящими, что устраняет необходимость в связующих, обработка которых может составлять до 20% стоимости производства электрода».
Следующим шагом для группы Калры будет применение этой техники для производства твердотельных батарей, а также изучение ее применения для умных тканей.