一组德雷克塞尔大学的研究人员创造了一种类似织物的材料电极，可以帮助制造能量存储设备 - 电池和超级电容器 - 更快，更不容易发生泄漏或灾难性的熔化。他们设计的新型超级电容器看起来就像一块注入明胶的毛茸茸海绵，为易燃电解质溶液提供了独特的替代品，这是这些设备中的常见组件。
电池和超级电容器内的电解液可能具有腐蚀性或毒性，几乎总是易燃的。为了跟上我们先进的移动技术的步伐，能量存储设备在设计过程中一直受到材料缩减的影响，这使得它们容易受到短路的影响 - 就像最近的三星Galaxy Note设备一样 - 当它与存在易燃的电解液，会产生爆炸性的情况。
因此，德雷克塞尔工程学院教授Vibha Kalra博士和她的团队设计的设备不是使用易燃电解质溶液，而是使用厚的富含离子的凝胶电解质吸收在多孔碳纳米纤维的独立垫中以产生液体 - 免费设备。该小组包括Kalra的博士助理Sila Simotwo和Temple研究员Stephanie L.Wunder博士和Parameswara Chinnam博士最近在化学学会期刊应用材料杂志上发表了“无溶剂固态超级电容器”的新设计。和接口。
“我们完全消除了可以在这些设备中着火的组件，”Kalra说。“而且，在这样做的过程中，我们还创造了一种电极，可以使储能设备变得更轻，更好。”
超级电容器是另一种类型的能量存储装置。它们类似于电池，因为它们静电保持并释放能量，但在我们的技术中 - 移动设备，笔记本电脑，电动汽车 - 它们往往充当电源备用，因为它们可以快速喷射储存的能量，与长时间使用的电池不同。但是，与电池一样，超级电容器使用易燃电解质溶液，因此容易发生泄漏和火灾。
该集团的超级电容器不仅不含溶剂 - 这意味着它不含易燃液体 - 但紧凑的设计也更耐用，其储能容量和充放电寿命优于目前使用的同类设备。它还能够在高达300摄氏度的温度下运行，这意味着它可以使移动设备更耐用，并且由于滥用而不太可能成为火灾隐患。
“为了实现工业上相关的电极厚度和负载，我们开发了一种由纳米纤维组成的布状电极，它提供了明确的三维开孔结构，便于输注固体电解质前体，”Kalra说。“开孔电极也没有作为绝缘体并降低性能的粘合剂。”
生产这种耐用设备的关键是纤维状电极框架，团队使用称为静电纺丝的工艺创建。该方法通过旋转电场将碳前体聚合物溶液以纤维垫的形式沉积 - 这一过程在微观水平上看起来像制作棉花糖。
然后将离子凝胶吸收在碳纤维垫中以形成完整的电极 - 电解质网络。其卓越的性能特征也与这种结合电极和电解质溶液的独特方式相关联。这是因为它们在更大的表面区域上进行接触。
如果你认为储能设备是一碗玉米片，那么能量储存发生的地方大致就是薄片与牛奶相遇的地方 - 科学家称之为“电气双层”。存储电的导电电极与携带电荷的电解质溶液相遇。理想情况下，在你的谷物碗中，牛奶会穿过所有的薄片，以便在每个薄片上得到恰到好处的涂层 - 不要太松脆，也不要太潮湿。但有时谷物会堆积起来，而牛奶 - 或电解质溶液，在我们的比较中 - 并没有完全消失，因此顶部的薄片是干燥的，而底部的薄片是饱和。这不是一碗好麦片，
Kalra的固态超级电容器就像把碎麦子放在碗里，而不是玉米片。开放式结构让牛奶渗透并涂覆谷物，就像离子凝胶渗透到Kalra的固态超级电容器中的碳纤维垫一样。垫为来自离子凝胶的离子提供更大的表面积以接近电极，这增加了容量并改善了能量存储装置的性能。它还消除了许多脚手架材料的需要，这些脚手架材料是形成物理电极的必要部分，但是在能量存储过程中不起作用并且对器件的总重量贡献很多。
“现有技术的电极由细粉末组成，需要与粘合剂混合并制成浆料，然后将其施加到装置中。这些粘合剂增加了装置的重量，因为它们不是导电材料，并且他们实际上阻碍了它的表现，“卡拉说。“我们的电极是独立的，因此不需要粘合剂，其加工可占制造电极成本的20%。”
Kalra集团的下一步将是将这项技术应用于固态电池的生产以及探索其在智能织物领域的应用。