Некоторая электроника может сгибаться, скручиваться и растягиваться в носимых дисплеях, биомедицинских приложениях и мягких роботах. Хотя схемы этих устройств становятся все более гибкими, батареи и суперконденсаторы, питающие их, по-прежнему остаются жесткими. Теперь исследователи из ACS ' Nano Letters сообщают о гибком суперконденсаторе с электродами, сделанными из морщинистого карбида титана – типа наноматериала MXene – который сохранял свою способность накапливать и высвобождать электронные заряды после многократного растяжения.

Посмотрите видео об устройстве здесь.

Одной из основных проблем, которую необходимо преодолеть растягиваемой электронике, является жесткость и негибкость их компонентов накопления энергии, батарей и суперконденсаторов. Суперконденсаторы, в которых используются электроды из карбидов, карбонитридов или нитридов переходных металлов, называемые MXenes, обладают желательными электрическими свойствами для портативных гибких устройств, таких как быстрая зарядка и разрядка. А способ, которым 2D-MXenes могут образовывать многослойные нанолисты, обеспечивает большую площадь поверхности для хранения энергии, когда они используются в электродах. Однако предыдущим исследователям приходилось использовать полимеры и другие наноматериалы, чтобы электроды этого типа не ломались при изгибе, что снижает их электрическую емкость. Итак, Дешенг Конг и его коллеги хотели посмотреть, может ли деформирование пленки MXene из чистого карбида титана в виде гармошки гребешков сохранить электрические свойства электрода, добавив при этом гибкости и растяжимости суперконденсатору.

Исследователи раздробили порошок карбида титана-алюминия на хлопья с плавиковой кислотой и захватили слои нанолистов чистого карбида титана в виде грубо текстурированной пленки на фильтре. Затем они поместили пленку на кусок предварительно растянутого акрилового эластомера, размер которого в расслабленном состоянии составлял 800%. Когда исследователи выпустили полимер, он сжался до своего первоначального состояния, а приклеенные нанолисты превратились в складки, похожие на гармошку.

В первоначальных экспериментах команда обнаружила, что лучший электрод был сделан из пленки толщиной 3 мкм, которую можно было многократно растягивать и расслаблять без повреждения и без изменения его способности накапливать электрический заряд. Команда использовала этот материал для изготовления суперконденсатора, поместив гелевый электролит из поливинил (спирта) и серной кислоты между парой эластичных электродов из карбида титана. Устройство имело высокую энергоемкость, сравнимую с суперконденсаторами на основе MXene, разработанными другими исследователями, но оно также обладало исключительной растяжимостью до 800% без растрескивания нанолистов. Он сохранил примерно 90% своей емкости хранения энергии после того, как был растянут 1000 раз, а также после сгибания или скручивания. Исследователи говорят, что их суперконденсаторы обладают отличным накоплением энергии и электрической стабильностью, что делает их привлекательными для растягиваемых устройств накопления энергии и носимых электронных систем.

Авторы выражают признательность за финансирование из Программы ключевых исследований и разработок Департамента науки и технологий провинции Цзянсу, Китайского научного фонда постдокторантуры и Программы развития предпринимательских и инновационных талантов на высоком уровне провинции Цзянсу.

Резюме доклада будет доступно 8 сентября в 8:00 по восточному времени здесь: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c02071

Источник: https://www.acs.org/content/acs/en.html