محققان ابرخازن انعطاف‌پذیر با توانایی ذخیره‌سازی بالا ساختند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، برخی از وسایل الکترونیکی می‌توانند در محصولات پوشیدنی، تجهیزات پزشکی و روبات‌های نرم استفاده شده، خم شوند، پیچ خورده و کشیده شوند. در حالی که مدار‌های این دستگاه‌ها به‌طور فزاینده‌ای قابل انعطاف شده‌اند، باتری‌ها و ابرخازن‌هایی که آن‌ها را تغذیه می‌کنند هنوز سفت هستند.

به تازگی محققان در نشریه Nano Letters یک ابرخازن انعطاف‌پذیر با الکترود‌های ساخته شده از کاربید تیتانیوم چین‌دار، نوعی نانومواد MXene، را گزارش کرده‌اند که توانایی ذخیره و انتشار بار‌های الکترونیکی را پس از کشش‌های مکرر حفظ کرده است.

یکی از چالش‌های اصلی تجهیزات الکترونیکی قابل انعطاف این است که باید بر ماهیت سفت و انعطاف‌ناپذیر اجزای ذخیره انرژی، باتری‌ها و ابرخازن‌ها غلبه کرد. ابرخازن‌هایی که از الکترود‌های ساخته شده از کاربید‌های فلزی انتقالی، کربن‌نیترید‌ها یا نیتریدها، به نام MXenes استفاده می‌کنند، دارای خواص الکتریکی مطلوبی برای دستگاه‌های قابل انعطاف و قابل حمل مانند شارژ سریع هستند.

MXenes‌های دوبعدی می‌توانند نانوصفحه‌های چند لایه ایجاد کنند و سطح وسیعی را برای ذخیره انرژی هنگام استفاده در الکترود‌ها فراهم کنند. با این حال، محققان همیشه مجبور بودند از پلیمر‌ها و نانومواد دیگر استفاده کنند تا این نوع الکترود‌ها در هنگام خم شدن شکسته نشوند، که این امر باعث کاهش ظرفیت ذخیره الکتریکی آن‌ها می‌شود.

بنابراین، دشنگ کنگ و همکارانش می‌خواستند ببینند آیا تغییر شکل یک فیلم کاربید تیتانیوم MXene بکر به شکل برجستگی‌های شبیه آکاردئون، خواص الکتریکی الکترود را حفظ می‌کند و در عین حال انعطاف‌پذیری و کشش‌پذیری را به یک ابرخازن می‌افزاید.

آن‌ها پودر کاربید آلومینیوم تیتانیوم را با اسید هیدروفلوریک ترکیب کرده تا ساختار کاربید آلومینیوم تیتانیوم به‌صورت ورقه ورقه در آمده و لایه‌های نانوورق کاربید تیتانیوم خالص به‌صورت یک فیلم با بافت تقریباً صاف روی فیلتر به‌دست آید. سپس آن‌ها این فیلم را روی قطعه‌ای از الاستومر اکریلیک از پیش کشیده قرار دادند که ۸۰۰ درصد اندازه اولیه آن بود. هنگامی‌که محققان این پلیمر را آزاد کردند، به حالت اولیه خود درآمد و نانوصفحات چسبیده در چین و چروک‌هایی شبیه آکاردئون مچاله شدند.

در آزمایش‌های اولیه، این تیم تحقیقاتی دریافتند بهترین الکترود از یک فیلم با ضخامت ۳ میکرومتر ساخته شده است که می‌تواند بدون آسیب‌دیدگی و بدون تغییر در توانایی ذخیره بار الکتریکی، به‌طور مکرر کشیده و شل شود. محققان از این ماده برای ساختن یک ابرخازن با ساندویچ کردن یک الکترولیت ژل پلی وینیل (الکل) اسید سولفوریک بین یک جفت الکترود کاربید تیتانیوم قابل کشش استفاده کردند.

این دستگاه دارای ظرفیت بالا، قابل مقایسه با ابرخازن‌های مبتنی بر MXene است که توسط محققان دیگر توسعه یافته است، اما همچنین دارای قابلیت کشش فوق‌العاده تا ۸۰۰ درصد بدون ترک خوردن ورق‌های نانویی است. این دستگاه تقریباً ۹۰ درصد از ظرفیت ذخیره انرژی خود را پس از ۱۰۰۰ بار کشش، خم شدن یا پیچ خوردن، حفظ کرد. محققان می‌گویند ذخیره‌سازی عالی انرژی و پایداری الکتریکی این ابرخازن آن را برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی انعطاف‌پذیر و سیستم‌های الکترونیکی پوشیدنی جذاب کرده است.