(Sinistra) Nella struttura a sandwich, i due elettrodi occupano strati differenti e si fronteggiano. (A destra) Nella nuova struttura a pettine, i due elettrodi sono integrati nello stesso piano. Lo spazio vuoto tra di loro consente alla struttura di essere flessibile e semitrasparente. Credito:Heng Lit, et al. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) —La maggior parte delle batterie, supercondensatori, e altri dispositivi di accumulo di energia si basano su una struttura a sandwich, dove due elettrodi si fronteggiano e la carica scorre tra di loro. Però, quando queste strutture sono piegate o piegate, gli elettrodi possono facilmente rompersi o il dispositivo può andare in cortocircuito se gli elettrodi entrano in contatto diretto. In un nuovo studio, i ricercatori hanno ideato un nuovo design per i dispositivi di accumulo di energia che è sia flessibile che semitrasparente, in cui gli elettrodi sono fabbricati sullo stesso piano bidimensionale in una nuova struttura a pettine.
I ricercatori, Heng Li, et al., dalla Scuola di Fisica dell'Università di Pechino in Cina, hanno pubblicato il loro articolo sulla nuova struttura per dispositivi elettrochimici flessibili e semitrasparenti in un recente numero di Nano lettere .
Come spiegano i ricercatori, la chiave per ottenere la flessibilità e la semitrasparenza del dispositivo è lo schema a pettine dell'elettrodo. I ricercatori hanno dimostrato che le nuove strutture possono resistere a molti cicli di piegatura e piegatura e persino essere avvolte attorno a una penna, pur mantenendo quasi tutte le loro buone prestazioni. Le strutture non richiedono distanziatori come quelli utilizzati da alcuni dispositivi a struttura sandwich per evitare cortocircuiti. Anziché, le nuove strutture possono essere facilmente piegate perché c'è uno spazio vuoto naturale tra due aree adiacenti a pettine.
Il design si presta anche alla semitrasparenza perché le dimensioni dei denti a pettine dell'elettrodo sono inferiori a 100 μm, che è il limite di risoluzione a occhio nudo. Usando la fotolitografia, i ricercatori potrebbero fabbricare denti a pettine con larghezze di 40-60 μm, consentendo una buona penetrazione della luce.
Sebbene altri trasparenti, dispositivi flessibili di accumulo di energia sono stati precedentemente dimostrati, questi progetti richiedono generalmente processi complessi e costosi e non sono universali per altri sistemi di dispositivi energetici. In contrasto, le nuove strutture a pettine possono essere fabbricate con metodi semplici e possono essere integrate con altri sistemi elettronici.
Le celle solari realizzate con la struttura a pettine dell'elettrodo mostrano una buona semitrasparenza e flessibilità, come dimostrato dall'essere avvolto intorno a una penna di 9 mm di diametro. Credito:Heng Lit, et al. ©2013 American Chemical Society
"Negli ultimi anni, l'elettronica flessibile è diventata un hotspot e c'è stata un'esplosione di originalità e idee nella zona, " ha detto il coautore Dapeng Yu dell'Università di Pechino Phys.org . Ha spiegato che l'idea per il design nasce da uno studio che lui e alcuni degli altri autori hanno pubblicato l'anno scorso sulle celle solari realizzate con elettrodi a filo.
"I dispositivi di energia elettrochimica (possono essere intesi come batterie o celle) composti da due fibre (una è l'anodo, l'altro è catodo) sono altamente pieghevoli, " Yu ha detto. "Siamo stati ispirati dall'idea, e ha cercato di integrare insieme gli elettrodi simili a fibre per fabbricare un dispositivo planare.
Come sappiamo, ci sono alcuni modelli simili in questo settore. Ad esempio, la struttura interdigitale è applicata ai supercondensatori, ma sono tutti fabbricati su substrati rigidi e opachi come il silicio. Perciò, non possono realizzare la trasparenza e la flessibilità del dispositivo."
Qui, i ricercatori hanno dimostrato la nuova struttura a pettine fabbricando celle solari e supercondensatori sensibilizzati al colorante basati sul nuovo design. Il flessibile, le celle solari semitrasparenti potrebbero un giorno avere applicazioni in finestre intelligenti, fotovoltaico integrato negli edifici, e caricatori fotovoltaici integrati per l'elettronica portatile. I supercondensatori potrebbero anche avere una varietà di applicazioni, anche per i sistemi elettronici all-in-one trasparenti e indossabili di nuova generazione.
Oltre alle celle solari sensibilizzate al colorante e ai supercondensatori, il design a pettine potrebbe essere esteso anche ad altri sistemi elettrochimici come batterie alcaline, celle solari a punti quantici, e altri dispositivi di accumulo e generazione di energia.
"Teoricamente, la struttura a pettine può essere applicata a quasi tutti i tipi di dispositivi elettrochimici, " ha detto il coautore Qing Zhao dell'Università di Pechino. "Tuttavia, il processo di fabbricazione deve essere riprogettato per i singoli materiali elettrochimici. E abbiamo in programma di sviluppare più tipi di batterie o celle flessibili e semitrasparenti utilizzando il design della struttura planare. D'altra parte, l'efficienza di questi dispositivi flessibili e trasparenti è un po' inferiore a quella dei dispositivi tradizionali ora, e vogliamo migliorare le loro prestazioni in futuro".
Copyright 2013 Phys.org
Tutti i diritti riservati. Questo materiale non può essere pubblicato, trasmissione, riscritto o ridistribuito in tutto o in parte senza l'espresso permesso scritto di Phys.org.
