L'Istituto UOW per i materiali superconduttori e elettronici (ISEM) ha aperto la strada con successo a un modo per costruire un flessibile, dispositivo di accumulo di energia pieghevole e leggero che fornisce gli elementi costitutivi per le batterie di nuova generazione necessarie per alimentare dispositivi elettronici indossabili e dispositivi medici impiantabili.

L'enigma che i ricercatori hanno affrontato nello sviluppo di dispositivi di accumulo di energia in miniatura, come batterie e supercondensatori, ha capito come aumentare la superficie del dispositivo, per immagazzinare più carica, senza ingrandirlo.

"Tra tutti i moderni dispositivi elettronici, l'elettronica portatile è tra le più eccitanti, Monirul Islam, dottorando dell'ISEM, ha dichiarato. "Ma la sfida più grande è caricare lo stoccaggio in un piccolo volume, oltre a essere in grado di fornire tale carica rapidamente su richiesta".

Risolvere questo problema, un team di dottorandi, guidato dal dott. Konstantin Konstantinov con il patrocinio del direttore dell'ISEM, il professor Shi Xue Dou e con il sostegno del professor Hua Kun Liu, il responsabile della Divisione ISEM Energy Storage, hanno sviluppato una struttura tridimensionale utilizzando un autoassemblaggio flat-pack di tre componenti:grafene, un polimero conduttivo e nanotubi di carbonio, che sono reti di carbonio simili a reticoli dello spessore di un atomo formate in cilindri.

Il cosiddetto materiale meraviglioso grafene, costituito da strati di grafite dello spessore di un singolo atomo, era un candidato adatto per le sue prestazioni elettroniche e resistenza meccanica.

"Sapevamo in teoria che se puoi fare una sorta di scheletro di carbonio hai una superficie maggiore e una maggiore superficie significa più carica, "Il dottor Konstantinov ha detto. "Se potessimo separare in modo efficiente gli strati di carbonio, potremmo utilizzare entrambe le superfici di ogni strato per l'accumulo di carica. Il problema che abbiamo affrontato è stato che fabbricando queste forme 3D in pratica, non solo teoria, è una sfida, se non impossibile compito."

La soluzione era quella di imballare i componenti costruendo la forma 3D strato per strato, molto simile a un esercizio in miniatura nella decorazione di una torta. Il grafene in forma liquida è stato miscelato con il polimero conduttivo e ridotto a solido e i nanotubi di carbonio sono stati accuratamente inseriti tra gli strati di grafene per formare una confezione piatta autoassemblata, materiale supercondensatore sottilissimo.

"La vera sfida è stata come assemblare questi tre componenti in un'unica struttura sfruttando al meglio lo spazio a disposizione, Il dottorando Monirul Islam ha detto. "Un'altra sfida è stata quella di ottenere le proporzioni oi rapporti dei componenti in modo appropriato per ottenere un materiale composito con le massime prestazioni di accumulo di energia".

Proporzioni sbagliate di entrambi gli ingredienti si traducono in un pasticcio grumoso, o una forma 3D che non è abbastanza forte da mantenere la flessibilità necessaria e la capacità di immagazzinamento della carica. C'è anche eleganza nella semplicità del design del team:i ricercatori hanno disperso i componenti in cristallino liquido, che ha consentito alle interazioni chimiche naturali di prevenire l'aggregazione degli strati di grafene.

Il risultato è stata una forma 3D con, grazie ai nanotubi di carbonio, una superficie enorme, ottima capacità di carica che è anche pieghevole. Può anche essere fabbricato in modo economico e semplice senza la necessità di costose camere a vuoto o apparecchiature sofisticate.

"Il nostro a base di grafene, il composito flessibile è altamente conduttivo, leggero, è in grado di piegarsi come un rotolo o impilare come una carta nei dispositivi elettronici per immagazzinare un'enorme quantità di carica, " ha detto Monirul. "Questo materiale può immagazzinare la carica in un secondo e fornire la carica a una velocità super veloce e sarà più leggero delle batterie tradizionali utilizzate nell'elettronica di oggi".

Lo studio ISEM è stato sostenuto finanziariamente dall'Automotive Australia 2020 CRC come parte della sua ricerca sui veicoli elettrici. ISEM è il leader del programma per l'elettrificazione e svolge un ruolo cruciale per la progettazione di veicoli elettrici di prossima generazione Una chiave per sbloccare le capacità del veicolo elettrico è un pacco batteria leggero e potente.

"Il nostro semplice metodo di fabbricazione di materiali ecologici con prestazioni migliorate ha un grande potenziale per essere ampliato per l'uso della tecnologia dei supercondensatori e delle batterie. Il nostro prossimo passo è utilizzare questo materiale per fabbricare supercondensatori indossabili flessibili con elevata densità di potenza e densità di energia, nonché supercondensatori su larga scala per veicoli elettrici."

La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Scienze Centrali ACS .