EO

Supercondensator op papierbasis voor ‘wearable’ elektronica

19 december 2017 om 15:18 uur

Geleidend papier

Amerikaanse en Zuid-Koreaanse onderzoekers gebruikten een eenvoudige lagentechniek om een flexibele supercondensator op papierbasis te ontwikkelen, die kan worden gebruikt voor het voeden van wearable elektronica. In de component worden cellulosevezels van het papier gecoat met metallische nanodeeltjes om zo elektroden te creëeren voor een supercondensator met hoge energie- en vermogensdichtheden – en de beste prestaties tot dusverre in supercondensatoren op papier- of textielbasis.

 

Het proces van de onderzoekers verandert het isolerende papier in zeer poreus metallisch papier met grote oppervlaktegebieden die functioneren als stroomcollectors en nanodeeltjes-reservoirs voor de elektroden. Bij proeven bleek dat het papier dat op deze manier is behandeld duizend maal kan worden gevouwen zonder dat de geleiding wordt aangetast.

"Dergelijke flexibele componenten voor energieopslag kunnen unieke mogelijkheden bieden voor de koppeling van wearables met het internet of things", verwacht professor Seung Woo Lee van de Woodruff School of Mechanical Engineering van het Georgia Institute of Technology. "We kunnen er een evolutie mee op gang helpen van de meest geavanceerde draagbare elektronica. Het is ook mogelijk om deze condensator te combineren met energiesprokkelende componenten die biomedische sensoren kunnen voeden, of consumentenelektronica, militaire elektronica en soortgelijke toepassingen."

 

Flexibele componenten voor energie-opslag zijn een sleutel voor het succes van wearables of papieren elektronica in biomedische producten, consumentenelektronica en militaire toepassingen. Lithium-ion batterijen en supercondensatoren zijn twee commerciële kandidaten voor het voeden  van elektronische consumentenproducten. Supercondensatoren spelen een toenemende rol in wearable producten, wat is te danken aan hun hoge vermogensdichtheid van meer dan 10 kW/kg, hun snelle op- en ontladen en hun langere levensduur dan lithium-ion batterijen. De energiedichtheid van supercondensatoren is echter met ongeveer 5 Wh/kg significant lager dan de circa 150 kWh/kg van lithium-ion batterijen. Deze parameter moet worden verbeterd om supercondensatoren te laten voldoen aan de prestatie-eisen van de volgende generatie flexibele devices. Maar voor volledig flexibele devices moeten ook de energie-opslagcomponenten flexibel zijn, terwijl ze tevens onderhevig zijn aan meer conventionele prestatie-overwegingen als hoge energie, hoog vermogen en cyclusstabiliteit.

 

sup

Supercondensatorelektroden op basis van metallische papier (MP).

Schema van de preparatie van de MP-elektroden voor de supercondensator met ligand laag-voor-laag assemblage tussen hydrofoob metaal (of metaaloxide) nanodeeltjes (NP's) en tren-moleculen. In dit geval blijft de interne poreuze structuur van het papier perfect bewaard, zelfs na depositie van de NP's, zoals getoond in FE-SEM-beelden. Alle schaalaanduidingen in de FE-SEM-beelden geven 50 µm aan.

Dit schema toont het verschil tussen de conventionele ‘solution casting' van de NP's (links), de traditionele LbL assemblage (gebaseerd op elektrostatische reacties, waterstofbonding of covalente bonding (midden) en de hier beschreven benadering (molecuul ligand-meidated LbL-assemblage via ligand-molecuul).

Een ligand is een molecuul of een ion dat een vrij elektronenpaar heeft, dat gebruikt kan worden om een binding te vormen met een metaal of een metaalion. Ligand is afgeleid van het Latijnse ‘ligare', dat binden betekent.

 

Bij het ontwikkelen van de technologie hebben Lee en zijn medewerker Jinhan Cho van de afdeling Chemical and Biological Engineering van de Korea University zich speciaal gericht op het verhogen van de energiedichtheid van de supercondensatoren, met behoud van hun hoge vermogensoutput.

Een van de belangrijkste onderdelen van flexibele energie-opslagcomponenten is een flexibel en geleidend substraat. Papier en textiel worden daarvoor beschouwd als ideale materialen, vanwege hun lage prijs, flexibiliteit en bijzonder poreuze structuur, waardoor ze actieve elektrodematerialen kunnen absorberen. Maar omdat deze materialen van nature isolatoren zijn, moeten ze worden gecoat met elektrische geleidende materialen. Daarvoor kunnen dan bijvoorbeeld koolstof nanobuisjes of zilveren nanodraden worden gebruikt.

 

Ook zijn er diverse absorptiemethoden gebruikt om zo'n coating aan te brengen - alle met het nadeel dat men weinig controle heeft over het proces en de resulterende laagdikte. Het laag-voor-laag assemblageproces (LbL) is een eenvoudige productietechniek waarmee het aanbrengen van actieve materialen juist wél nauwkeurig kan worden beheerst. 

Het onderzoeksteam begon met het dopen van papiermonsters in een beker met een oplossing van een oppervlakte-actief aminemateriaal (zogeheten tren-moleculen) om de gouden nanodeeltjes aan het papier te binden. Vervolgens doopten ze het papier in een oplossing met die nanodeeltjes. De cellulosevezels in het papier zijn heel poreus, dus het oppervlakte-actieve materiaal en de nanodeeltjes dringen binnen in de vezels en raken er stevig aan gehecht. Zo vormen ze een conformal coating op elke vezel.

Door het herhalen van deze dompelingsstappen maakten de onderzoekers geleidend papier waaraan ze nog afwisselend lagen van energieopslagmaterialen toevoegden van metaaloxiden, zoals mangaanoxide. Deze laag-voor-laag benadering hielp om de contactweerstand tussen naast elkaar gelegen metaal en/of metaaloxide nanodeeltjes te minimaliseren. Het proces vindt plaats onder kamertemperatuur en de lagen kunnen worden gestapeld om de gewenste elektrische eigenschappen te verkrijgen.  

 

pap

De beelden tonen het verschil van het papier voor (links) en na (rechts) metallisering met geleidende nanodeeltjes. (foto: Ko et al., gepubliceerd in Nature Communications)

 

"Het is eigenlijk een heel simpel proces", zegt Lee. "Het laag-voor-laag proces in verschillende bekers leverde een goede conforal coating op de cellulosevezels. We kunnen het zo verkregen gemetalliseerde papier vouwen en buigen zonder de geleidbaarheid te beschadigen.".

Bij het onderzoek ging het om kleine stukken papier, maar de techniek met de oplossingen kan worden opgeschaald door gebruik te maken van grotere tanks of een spraytechniek. "Er is in principe geen limiet aan de afmetingen van het papier dat we kunnen produceren", zegt Lee. "We moeten alleen de optimale laagdikte vaststellen voor het verkrijgen van een goede geleiding terwijl toch het gebruik van nanodeeltjes wordt geminimaliseerd, om de balans tussen kosten en prestaties te optimaliseren."

 

Het team demonstreerde dat hun zelfassemblerende techniek verschillende aspecten van de papieren supercondensator verbetert, waaronder de capaciteit per oppervlakte-eenheid - een belangrijke factor voor het meten van flexibele energie-opslagelektroden. De maximum vermogens- en energiedichtheid van de supercondensatoren op basis van metallisch papier worden geschat op respectievelijk 15,1 mW/cm2 en 267,3 μWh/cm2, en dat is beter dan conventionele papier- of textiel-supercondensatoren.

.

De volgende stap omvat het testen van de techniek op flexibele weefsels en het ontwikkelen van flexibele batterijen die met deze supercondensatoren kunnen werken. De onderzoekers gebruikten gouden nanodeeltjes omdat er gemakkelijk mee valt te werken, maar ze zijn van plan om goedkopere metalen, zoals koper en zilver, te gaan gebruiken om de kosten te beperken.

"We beheersen de coating van het papier tot op nanosschaal", verklaart Lee. "Als we het aantal lagen verhogen worden de prestaties alleen maar beter. En het is allemaal gebaseerd op gewoon papier."

 

Lees het wetenschappellijke artikel dat is gepubliceerd in Nature Communications op https://www.nature.com/articles/s41467-017-00550-3

 

Supercondensator

Supercondensatoren zijn condensatoren met veel hogere capaciteitswaarden (maar lagere spanningslimieten) dan andere condensatoren. Ze overbruggen de kloof tussen elektrolytische condensatoren en oplaadbare batterijen. Ze kunnen normaliter tien tot honderd keer meer energie  per volume- of massa-eenheid opslaan dan elektrolytische condensatoren, kunnen lading veel sneller opnemen en afgeven dan batterijen en tolereren veel meer laad- en ontlaadcyclussen dan oplaadbare batterijen.

 

 

Video's

Yo Spot Mini, shake that ass!

Yo Spot Mini, shake that ass!

Kijk, dat techneuten niet kunnen dansen, dat weet iedereen. Maar dat hoeft ook helemaal niet. Vooral…

en dan de dansende techneut...

en dan de dansende techneut...

Overigens, meer gelijkend op een dansende techneut (maar ook knap):

 Ok, ok, nog eentje dan!

Ok, ok, nog eentje dan!

omdat we het niet kunnen laten:

Big data in food

Big data in food

"Het ontsluiten van data gaat in de komende vijf jaar toenemen. ERP-systemen zijn daar niet op…

Terugblik WoTS 2018

Terugblik WoTS 2018

Bijna 30.000 mensen hebben vorige week de World of Technology & Science en Industrial…

Meer videos »

Laatste nieuws

Algoritme peilt risico’s voor schepen en offshore-platforms

Algoritme peilt risico’s voor schepen en offshore-platforms

Ingenieurs van het MIT hebben een algoritme ontwikkeld dat snel kan inschatten met welke extreme gebeurtenissen een systeem of constructie te maken kan krijgen. Het is bedoeld voor bijvoorbeeld zeeschepen en offshore…

Gerecycled filament voor 3D-print

3D-printen met filament uit afgedankte koelkasten

Er is nu een 3D-printfilament dat is gemaakt van kunststoffen uit afgedankte koelkasten. Het heet High Impact Polystyreen (HIPS).

De hele huid van auto of vliegtuig als batterij

De hele huid van auto of vliegtuig als batterij

Wat als je energie kan opslaan in de hele carrosserie van je auto? Of vliegtuig? Dat hebben onderzoekers van de Zweedse UT Chalmers bedacht. Volgens de studie kunnen de carbonvezels fungeren als elektrodes, waardoor de…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Slim netwerken met Murrelektronik

Met de nieuwe Murrelektronik PROFINET managed switches, wordt het nu heel eenvoudig om te voldoen aan de PROFINET...

Agenda

20 oktober 2018, Eindhoven

Dutch Design Week

Tijdens DDW ontdek je het beste werk en de meest spraakmakende ideeën van mensen die eigenwijs en...

31 oktober 2018, Delft

Radarontwerptechniek

Radars vinden, behalve in de militaire en civiele luchtverkeersleiding, steeds vaker toepassing in nieuwe...

31 oktober 2018, Breda

2-daagse masterclass Process Safety voor Managers

Bij Process Safety gaat het om de veiligheid van het omgaan met gevaarlijke stoffen in procesinstallaties...

Meer agendapunten »