Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultra-stables sous une charge extrême

Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultra-stables sous une charge extrême

Propriétés de base de DWNTY. (A) schémas illustrant la méthode de fabrication pour préparer MDC-1 @ DWNTY, (B) image de microscopie optique (OM), (C) image de microscopie électronique à balayage (SEM), (D) image de microscopie électronique à transmission (TEM), (E ) Spectre Raman, mode de respiration radiale (RBM), (F) analyse thermogravimétrique (TGA), (G) isotherme de sorption N2 et (H) courbe contrainte-déformation de DWNTY. au, unités arbitraires ; % en poids, % en poids Crédit: Avancées scientifiques, DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Les supercondensateurs à semi-conducteurs de type fibre peuvent fournir une alimentation électrique stable pour l’électronique portable et flexible de nouvelle génération. En règle générale, un stockage de charge élevé et des propriétés mécaniques supérieures peuvent être intégrés dans une seule fibre pour réaliser des supercondensateurs à semi-conducteurs de type fibre. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques, You Wan Na, Jae Yeong Cheon et Jae Ho Kim et une équipe de scientifiques en recherche avancée sur les nanohybrides et les composites, en Corée, ont conçu une fibre composite hybride de type « collier bijou » composée de fil de nanotube de carbone à double paroi et de métal-organique cadres (MOF). L’équipe a traité thermiquement les MOF et les a transformés en carbone dérivé du MOF pour maximiser les capacités de stockage d’énergie tout en conservant leurs propriétés mécaniques. Les fibres hybrides aux propriétés accordables et à la robustesse mécanique ont fonctionné dans diverses conditions de déformation mécanique pour que la fibre ultra-résistante résultante fournisse une puissance suffisante pour activer les diodes électroluminescentes tout en suspendant un poids de 10 kg.

Electronique flexible avec stockage d’énergie de nouvelle génération

Il existe actuellement une forte demande pour développer des appareils électroniques portables et flexibles de nouvelle génération, notamment des écrans enroulables et des dispositifs portables dotés d’un stockage d’énergie léger et flexible pour maintenir des densités de puissance et d’énergie élevées. Les supercondensateurs à semi-conducteurs de type fibre sont importants pour réaliser le stockage d’énergie de nouvelle génération en raison de leur facilité de manipulation et de métamorphose. Les chercheurs ont exploré des méthodes comprenant des sites de stockage de charges agrandis avec des matériaux poreux pour le transport de charges via une conductivité élevée ainsi que la construction de voies et le renforcement des fibres par renforcement, avec des matériaux robustes pour former une plate-forme de type fibre. Ces développements n’ont indiqué que des améliorations modestes des performances et le développement de fibres intégrées reste un objectif important pour stocker une grande quantité de charge. Le matériau doit à son tour présenter une conductivité élevée et des propriétés mécaniques supérieures pour former une électronique de nouvelle génération. Dans ce travail, Wan Na et al. a développé une fibre « tout-en-un » avec des sites de stockage de charge basée sur un composite hybride hétérogène entre des fils de nanotubes de carbone et des structures organométalliques pour maintenir une surface spécifique élevée et des propriétés mécaniques supérieures avec une excellente conductivité électrique.

Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultra-stables sous une charge extrême

Photographies du processus de synthèse de DWNTY. (A) Four vertical, (B) processus de bobinage et (C) DWNTY tel que produit enroulé sur un rouleau. Crédit: Avancées scientifiques, DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Les expériences

Au cours des expériences, la réaction hydrothermale a permis la croissance de structures métallo-organiques (MOF) volumineuses à la surface d’un fil de nanotubes de carbone à double paroi (DWNTY). À l’aide de la pyrolyse par traitement thermique, l’équipe a ensuite converti les structures organométalliques (MOF) pour produire des carbones dérivés de MOF (MDC) sans compromettre les propriétés électriques et mécaniques du produit de nanotube de carbone à double paroi. La fibre hybride a maintenu une épaisseur contrôlée, des propriétés accordables et une charge de carbone dérivée du MOF pour afficher une densité d’énergie élevée de 7,54 mWh cm-3 à une densité de puissance de 190,94 mW cm-3 pour présenter une haute déformabilité et fournir une puissance suffisante pour allumer des ampoules à diodes électroluminescentes (LED) même sous une charge de poids de 10 kg. L’équipe a développé des composites hybrides en filant directement les DWNT et les a combinés en une seule fibre d’une épaisseur de l’ordre de quelques dizaines de micromètres. La conception structurelle de l’installation a dirigé l’exposition externe des carbones hautement poreux pour fonctionner comme un système de stockage d’énergie à haute énergie avec une conductivité mécanique et électrique supérieure.

Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultra-stables sous une charge extrême

Caractérisation de IRMOF-1@DWNTY et MDC-1@DWNTY. (A et B) images OM, (C et D) images SEM, (E) spectres Raman et (F) isothermes de sorption N2 de M1(3.0)@DW(1) et C1(3.0)@DW(1). (G) images OM et (H) images SEM de M1 @ DW (10) à différentes concentrations de précurseurs. Crédit: Avancées scientifiques, DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Décorer la surface externe du fil de nanotubes de carbone à double paroi (DWNTY)

Wan Na et al. produit du DWNTY (fil de nanotube de carbone à double paroi) basé sur un procédé de synthèse à base de catalyseur flottant en filant directement le fil de nanotube pour fabriquer un composite hybride. Ils ont immergé la construction telle que produite dans de l’acétone pour augmenter la densité et renforcer le produit. Un DWNTY d’un diamètre de 15 µm contenait des milliers de DWNT individuels d’un diamètre de 5 nm, comme le montrent les images de microscopie optique, de microscopie électronique à balayage (MEB) et de microscopie électronique à transmission (MET). Les scientifiques ont ensuite utilisé la spectroscopie Raman et des analyses thermogravimétriques pour confirmer la cristallinité et la pureté élevées du produit ainsi que des niveaux élevés d’intégration. La fibre hybride résultante a constitué un composant de base pour les systèmes de stockage d’énergie à base de fibre de nouvelle génération. L’équipe a ensuite carbonisé directement l’hybride jusqu’à 900 degrés Celsius pour fournir une conductivité électrique et une microporosité supérieures. L’approche polyvalente a permis de contrôler l’épaisseur du DWNTY avec une densité modulée de MOF sur la surface du DWNTY.

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Mesure IFSS des fibres composites hybrides. (A) Schéma illustrant la mesure IFSS de IRMOF-3@mDWNTY. Images optiques de (B) IRMOF-1@DWNTY et (C) IRMOF-3@mDWNTY pendant la mesure IFSS. (D) Comparaison des valeurs IFSS mesurées. Crédit: Avancées scientifiques, DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Régulation de l’interface des composites hybrides pour une haute déformabilité

Pour favoriser des liaisons interfaciales plus fortes, Wan Na et al. introduit des groupes fonctionnels à la surface de DWNTY et modifié les ligands utilisés pour la synthèse de MOF pour induire des interactions intermoléculaires supplémentaires. À l’aide de la spectroscopie de photoémission aux rayons X et des spectres infrarouges à transformée de Fourier, l’équipe a introduit des groupes carboxyliques sur la surface du fil de nanotube par diazotation à l’aide de l’acide p-aminobenzoïque, tout en conservant les propriétés originales de la construction (qu’ils ont appelée mDWNTY). En utilisant des diagrammes de diffraction des rayons X, Wan Na et al. a confirmé la fonctionnalisation de la surface du fil sans modifier sa structure graphitique. Ils ont ensuite remplacé le ligand organique par un ligand contenant un groupe amine (étiqueté IRMOF-3) pour induire des interactions supplémentaires avec les groupes carboxyliques nouvellement introduits à la surface du fil de nanotube de carbone à double paroi. L’équipe a modélisé l’effet de la modification de l’interface sur la résistance interfaciale entre les matériaux (fils et structures métallo-organiques) pour montrer l’efficacité de la modification interfaciale.

Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultra-stables sous une charge extrême

Fiabilité électrochimique et mécanique du supercondensateur tout solide à base de MDC-3@mDWNTY dans diverses conditions de déformation. Crédit: Avancées scientifiques, DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Perspectives—Amélioration de la capacité de stockage d’énergie et des performances de stockage d’énergie des supercondensateurs hybrides composites entièrement à semi-conducteurs

L’équipe a émis l’hypothèse d’améliorer les performances de stockage des appareils en développant des fibres épaissies avec des matériaux poreux. Et cela a été accompli en épaississant la construction en combinant 100 fibres, puis en faisant croître des ligands contenant des groupes amine en plus de cela en présence de solutions précurseurs. L’équipe a ensuite carbonisé les groupes amine pour former un fil capable de résister à diverses déformations pour concevoir des supercondensateurs en fibre et en textile. Au cours des tests de traction, ils ont noté des constructions préservées, même après 500 cycles de flexion répétée avec un réseau de voies électriques incontesté pour montrer la supériorité des fibres composites hybrides. D’autres résultats ont validé la fonction réalisable du supercondensateur tout solide. D’autres études de caractérisation ont mis en évidence la capacité des supercondensateurs pour confirmer la robustesse mécanique des supercondensateurs à semi-conducteurs dans diverses conditions de déformation. Même après des pliages répétés, le produit a montré une rétention de capacité de 88 % après 500 cycles pour valider sa flexibilité supérieure. Les performances de stockage d’énergie sont restées intactes à divers angles de courbure pour montrer la fiabilité mécanique du supercondensateur pour les technologies de traitement des fibres. De cette façon, You Wan Na et ses collègues ont montré une nouvelle classe de fibres composites hybrides de type collier bijou en DWNTY recouvertes de billes MOF en tant que supercondensateur tout-en-un de type fibre tout-en-un. L’étude a établi une stratégie simple pour conférer une robustesse mécanique aux fibres composites hybrides pour la fiabilité du stockage d’énergie afin de former des supercondensateurs de type fibre hautes performances.


Des scientifiques développent des électrodes intégrées pour des supercondensateurs flexibles à haute densité d’énergie


Plus d’information:
You Wan Na et al, Supercondensateur flexible tout-en-un avec des performances ultrastables sous une charge extrême, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl8631

Ekaterina Pomerantseva et al, Stockage d’énergie : L’avenir permis par les nanomatériaux, La science (2019). DOI : 10.1126/science.aan8285

© 2022 Réseau Science X

Citation: Supercondensateur flexible tout-en-un aux performances ultra-stables sous charge extrême (2022, 13 janvier) récupéré le 13 janvier 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-01-all-in-one-flexible-supercapacitor -ultra-stable-extrême.html

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