Wetenschappers maken een weegbaar Li-ion vezelgaren

Anonim

Wetenschappers maken een weegbaar Li-ion vezelgaren

Elektronica

Lakshmi Sandhana

31 mei 2014

9 afbeeldingen

De vezelvormige Li-ion-batterijen kunnen worden verweven tot textiel dat draagbare elektronische apparaten van stroom kan voorzien (Foto: Wei Weng)

Wetenschappers van de Fudan University in Shanghai, China, hebben een krachtige Li-ion-batterij ontwikkeld die is gemaakt van vezels van koolstofnanobuisjes. Met een diameter van ongeveer 1 mm worden de vezelvormige lithium-ionbatterijen licht genoeg gerapporteerd om weefbare en draagbare textielbatterijen te maken die verschillende apparaten van stroom kunnen voorzien. De onderzoekers zeggen dat het garen bijna 71 mAh / g vermogen kan leveren en ook geweven kan worden in bestaand textiel om nieuwe elektronische stoffen te creëren.

Om de vezelbatterijen te maken, moest het team functionele kathode- en anodesamengestelde garens ontwikkelen. Lithiummanganaat (LMO) deeltjes werden afgezet op een koolstof nanobuis (CNT) vel en omhoog gescrold om een ​​CNT-LMO samengesteld garen te vormen dat functioneert als de kathode. De anodesamengestelde garens werden gemaakt door een CNT-plaat tussen twee met silicium beklede CNT-vellen in te klemmen en deze omhoog te schuiven. Wanneer de twee garens, die voor veiligheid van elkaar zijn gescheiden door een gelelektrolyt, worden gewonden, resulteert dit in een op CNT gebaseerde vezelvormige Li-ion-batterij (LIB).

"De twee garens kunnen direct worden gedraaid om een ​​batterij te vormen, of kunnen ook op elke commerciële polymeervezel worden gewikkeld omdat ze beide kleine diameters en een goede flexibiliteit hebben, " zegt Dr. Wei Wang, de hoofdonderzoeker, aan Gizmag. "De vezelbatterij kan vervolgens worden toegevoegd aan een bestaand textiel of direct in een textiel worden geweven. "

Hoewel onderzoekers met succes draagbare supercondensatoren hebben gemaakt, is het creëren van Li-ion-batterijvezels een uitdaging, aldus het Fudan-team, ook al zijn ze gunstiger voor mobiele elektronica dan supercondensatoren, omdat ze lagere verliezen bij zelfontlading en hogere energiedichtheden hebben . De moeilijkheid was tot nu toe het vinden van geschikte werkbare materialen en het ontwerpen van de benodigde composietstructuren.

Een van de grootste problemen bij het ontwerpen van LIB-batterijvezels is bijvoorbeeld het omgaan met de siliciumexpansie die in de vezels optreedt, wanneer ze energie laden en ontladen. Het silicium zet in volume uit tot 300 procent, waardoor de siliciumlaag bij gebruik wordt weggetrokken, waardoor de batterijvezel wordt beschadigd.

Om dit probleem op te lossen creëerde het team een ​​hybride garenstructuur met CNT's tussen met silicium beklede CNT-vellen, die de volumeverandering van het silicium bufferde en op zijn plaats vastklemde. De resulterende LIB-vezel bleek in staat te zijn zich aan te passen aan de siliciumvolumeveranderingen, waardoor de integriteit van zijn siliciumlagen werd behouden. Volgens de onderzoekers hebben de vezel-LIB's een lineaire energiedichtheid van 0, 75 mWh cm-1 en kunnen ze worden geweven tot flexibele textielbatterijen met een gebiedsenergiedichtheid van 4, 5 mWh cm-2, die in staat zijn voldoende niveaus van vermogen te leveren.

"Gebaseerd op de twee garens alleen, kunnen we bijna 71 mAh / g stroom bereiken, " vertelt Weng ons. "Voor een commerciële Li-ion-batterij krijgt u ongeveer 50 mAh / g bij de verpakking. Op dit moment kunnen we ongeveer 6, 8 Wh stroom krijgen in 1 ft bij 1 voet (0, 3 x 0, 3 m), als de vezelbatterijen geweven in een textiel, dit is genoeg kracht om 24 uur lang een mobiele telefoon te laten draaien. "

Met verdere ontwikkeling zeggen de onderzoekers dat ze verwachten dat een deel van de textielbatterij van 1 ft x 1 ft (0, 3 x 0, 3 m) wordt opgeslagen en ongeveer 10-20 Wh zal opleveren. Hoewel het mogelijk is om de LIB-vezel momenteel op te laden met twee verbindingslijnen, wordt ook de mogelijkheid onderzocht om deze draadloos op te laden.

Anders dan het verbeteren van de prestaties van de batterij, is het team ook bezig om het meer eigenschappen te geven, zoals het rekbaar maken, voordat het op grotere schaal in productie gaat. De huidige focus is het veilig genoeg maken om te dragen.

"Veiligheid is het eerste belangrijke ding voor draagbare elektronica, " legt Weng uit. "Hier werden koolstof nanobuisjes met goede mechanische en elektrische eigenschappen gebruikt als het skelet materiaal.We onderzoeken de batterij structuur, de elektrolyt en de verpakking. "

Uiteindelijk hoopt het team flexibele vezelgebaseerde stroombronnen te creëren die gemakkelijk in textiel kunnen worden geweven en gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met elektronische apparaten die gebruikers bij zich hebben.

"We willen kleding en dekens maken om onze dagelijkse elektronica op te laden, bijvoorbeeld mobiele telefoons", vertelt Weng ons. "We zien ze ook als een energiebron voor noodgevallen tijdens het wandelen of kamperen, bijvoorbeeld omdat ze gemakkelijk kunnen worden opgerold of de textielbatterijen direct in je slaapzak of tent kunnen worden geweven.

Een paper met een beschrijving van het onderzoek is onlangs gepubliceerd in de Journal Nanoletters .

Bron: Fudan University

De vezelvormige Li-ion-batterijen kunnen worden verweven tot textiel dat draagbare elektronische apparaten van stroom kan voorzien (Foto: Wei Weng)

Een stuk van 1 x 1 ft Li-ion batterijgaren kan 6, 8 Wh aan vermogen leveren; genoeg vermogen om een ​​dag een mobiele telefoon te laten draaien (Foto: Wei Weng)

Het anodegaren wordt gemaakt door een koolstof nanobuis (CNT) -plaat tussen twee met silicium gecoate CNT-vellen in te klemmen (Afbeelding: Wei Weng)

Een vergroting van CNT-Si / CNT samengesteld garen dat fungeert als de anode (Afbeelding: Wei Weng)

De afbeelding links toont gruwelijk garen waarbij silicium loslaat, terwijl de afbeelding aan de rechterkant het samengestelde garen toont dat de siliciumlagen behoudt (Afbeelding: Wei Weng)

Het Li-ion batterijgaren drijft een LED-lamp aan (foto: Wei Weng)

Een circuit vormen met de vezelvormige batterij (Afbeelding: Wei Weng)

Het kathodegaren bestaat uit lithiummanganaat en koolstofnanobuizen (afbeelding: Wei Weng)

Een vergroting van het samengestelde CNT-LMO-garen dat fungeert als kathode (Afbeelding: Wei Weng)