Созданы новые сменные и гибкие аккумуляторные батареи типа стикер

Доктор Юн Хана из Лаборатории материалов для преобразования и хранения энергии Корейского института энергетических исследований (KIER, президент Ким Чен Нам), профессор Ким Ен-Джин (кафедра машиностроения Корейского передового института науки и технологии) и профессор Ким Seungchul (кафедра инженерии оптики и мехатроники, Национальный университет Пусана) совместно разработали “повторно присоединяемые микро-суперконденсаторы (MSC) с использованием сильно набухших лазерно-индуцированных графеновых электродов”, и их результаты исследований были перечислены в журнале Chemical Engineering Journal, всемирно известном в этой области.

• MSC – это тонкопленочные ультратонкие суперконденсаторы, которым уделяется большое внимание, поскольку они более стабильны при более высокой плотности мощности и энергии, по сравнению с тонкопленочными литиевыми батареями.
• Chemical Engineering Journal считается одним из лучших международных журналов в области химического машиностроения (опубликовано Elsevier, SCI IF 8.355)

По мере роста спроса на более легкие и компактные носимые устройства и многофункциональные устройства IoT растет потребность в новых технологиях сбора, хранения и управления электропитанием. Носимые устройства и продукты IoT все чаще применяются в различных сферах жизни общества. Поэтому исследователи активно проводят научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке устройств накопления энергии с дополнительными функциями помимо источника питания.

Предварительные условия носимых устройств накопления энергии состоят в том, что они должны иметь возможность изменять свои формы вместе с изменяющимися формами человеческого тела и движений, в то же время будучи гибкими, безопасными в использовании и обеспечивающими превосходную долговечность. Обычные батареи не были гибкими, так как они были разработаны, чтобы иметь базовую структуру цилиндрического, призматического или пакетного типа, и имели ограниченную плотность энергии. Таким образом, они имели некоторые ограничения, которые должны применяться к продуктам следующего поколения, таким как носимые устройства или микроустройства, которые требуют высокой гибкости, портативности, а также плотности площадной или объемной энергии.

В прошлом научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке устройств накопления энергии для носимых устройств в основном делались на тонкопленочных батареях Li. Тонкопленочные микробатареи на основе лития, которые являются широко и коммерчески доступными источниками питания для микроэлектроники, страдают от коротких жизненных циклов, резких отказов, нестабильной низкотемпературной кинетики (страдают из-за низких температур окружающей среды эксплуатации) и создают проблемы безопасности.

В последнее время MSC привлекают большое внимание в качестве устройств накопления энергии следующего поколения для замены литий-ионных тонкопленочных батарей. В принципе, суперконденсаторы были частично постоянными для использования и имели много преимуществ, таких как высокая плотность мощности (в 10 раз больше по сравнению с ионно-литиевыми батареями), стабильность, эффективность и быструю скорость зарядки или разрядки. Однако сфера их использования была несколько ограничена определенными областями из-за низкой плотности энергии на нагрузку (которая была оценена как 1/10 от литиевых батарей). По сравнению с суперконденсаторами, MSC имеют значительно более высокую удельную мощность, чем литиевые батареи, а удельные энергии такие же или даже выше, чем у их конкурентов. Следовательно, они рассматриваются как альтернатива ультратонким высокопроизводительным устройствам накопления энергии.

Исследовательская группа успешно разработала гибкие MSC типа наклейки, которые имели гибкую структуру и могут быть прикреплены повсюду на объектах или поверхностях с помощью лазеров ультракоротких импульсов.

Лазер с ультракороткими импульсами может мгновенно генерировать сильную интенсивность для образования сильно набухших графеновых электродов. Пропитав адгезивные полимерные композиты внутрь сильно набухшего графена, исследователи смогли разработать MSC типа наклейки с отличными эксплуатационными характеристиками и долговечностью электродов при сохранении адгезивности.

Дофамин, функциональный имитатор адгезивного белка мидии, был введен в качестве материала покрытия для гибких MSC типа стикера для улучшения электрохимических характеристик. Катехиновые группы в дофамине обеспечивают редокс-активные фрагменты для псевдо-емкостных электродов. Тем самым они смогли разработать гибкие устройства накопления энергии в виде наклеек, которые обладали высокой объемной плотностью энергии, аналогичной литиевым тонкопленочным батареям с превосходной объемной плотностью энергии, в 13 раз превышающей аналогичные показатели их аналогов.

Доктор Хана Юн из KIER, главный исследователь этого направления, сказала: “Наши гибкие MSC типа наклейки легко подключаются к носимым устройствам следующего поколения и устройствам IoT и являются экологически чистыми. Ожидается, что они преодолеют многие препятствия в технологиях хранения энергии на основе лития”.

Кроме того, профессор KAIST Янг-Джин Ким, соавтор этого исследования, сказал: “Технология формирования рисунков, разработанная в этом исследовании, позволила получить уникальный набухший графен с помощью ультра-короткого импульсного лазера за относительно короткий период времени, при этом сводя к минимуму потери материалов. Эта технология может способствовать промышленному применению графена, индуцированного лазером, в различных областях”.