15.04.2020 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Entwicklung von aufklebbaren wiederaufladbaren Batterien

Mikro-Superkondensatoren als Energiespeicher der nächsten Generation

Dr. Yoon Hana vom Energy Conversion & Storage Materials Laboratory of Korea Institute of Energy Research (KIER), Professor Kim Young-Jin (Dept. of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) und Professor Kim Seungchul (Dept. of Optics and Mechatronics Engineering, Pusan National University) entwickelten gemeinsam "wiederaufsteckbare Mikro-Superkondensatoren (micro-supercapacitors, MSCs) mit stark gequollenen laserinduzierten Graphenelektroden".

Da die Nachfrage nach leichteren und kleineren tragbaren Geräten und hochfunktionellen IoT-Geräten steigt, gibt es einen wachsenden Bedarf an neuen Technologien für die Energieerfassung, -speicherung und -verwaltung. Tragbare Geräte und IoT-Produkte werden heutzutage zunehmend in verschiedenen Bereichen der Gesellschaft eingesetzt. Daher führen Forscher aktiv F&E-Aktivitäten durch, um Energiespeichergeräte mit zusätzlichen Funktionen neben der Stromversorgung zu entwickeln.

Voraussetzungen für tragbare Energiespeicher sind, dass sie in der Lage sein sollten, ihre Form zusammen mit den sich ändernden Formen des menschlichen Körpers und den Bewegungen zu verändern, während sie gleichzeitig flexibel und sicher in der Anwendung sind und eine ausgezeichnete Haltbarkeit bieten. Die herkömmlichen Batterien waren nicht flexibel, da sie für eine zylindrische, prismatische oder beutelartige Bodenstruktur entwickelt wurden und eine begrenzte Energiedichte hatten. Daher hatten sie einige Einschränkungen, die bei Produkten der nächsten Generation wie tragbaren Geräten oder Mikrogeräten, die eine hohe Flexibilität, Tragbarkeit und flächenhafte oder volumetrische Energiedichten erfordern, angewendet werden können.

In der Vergangenheit wurden F&E-Bemühungen zur Entwicklung von Energiespeichern für tragbare Geräte meist auf Li-Dünnschichtbatterien gelegt. Li-Dünnfilm-Mikrobatterien, die weit verbreitete und kommerziell erhältliche Energiequellen für die Mikroelektronik sind, leiden unter kurzen Lebenszyklen, abrupten Ausfällen, instabiler Kinetik bei niedrigen Temperaturen und geben in Verbindung mit Lithium Anlass zu Sicherheitsbedenken.

In letzter Zeit gewinnen MSCs als Energiespeicher der nächsten Generation, die Li-Dünnschichtbatterien ersetzen sollen, große Aufmerksamkeit. Im Prinzip waren die Superkondensatoren semipermanent im Gebrauch und hatten viele Vorteile wie hohe Leistungsdichten (10-mal mehr im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien), Stabilität, Effizienz und schnelle Lade-/Entladeraten. Ihr Einsatzbereich war jedoch aufgrund der geringen Energiedichte pro Ladung (die auf 1/10 der Li-Batterien geschätzt wurde) auf bestimmte Bereiche beschränkt. Im Vergleich zu Superkondensatoren haben MSCs eine deutlich höhere Leistungsdichte als Lithiumbatterien, und die Energiedichten sind ähnlich hoch oder sogar höher als bei ihren Konkurrenten. Daher werden sie als eine Alternative für ultradünne Hochleistungs-Energiespeicher angesehen.

Das Forschungsteam entwickelte erfolgreich flexible MSCs vom Aufklebertyp, die eine flexible Struktur haben und mit Hilfe von Ultrakurzpuls-Lasern überall auf Objekten oder Oberflächen angebracht werden können.

Ultrakurzpulslaser können sofort starke Intensität erzeugen, um stark geschwollene Graphenelektroden herzustellen. Durch die Imprägnierung der Innenseite von stark gequollenem Graphen mit klebenden Polymerverbundwerkstoffen konnten die Forscher MSCs vom Aufklebertyp mit ausgezeichneter Elektrodenleistung und Haltbarkeit unter Beibehaltung der Haftfähigkeit entwickeln.

Dopamin, eine funktionelle Nachahmung des Haftproteins der Muschel, wurde als Beschichtungsmaterial für die flexiblen MSCs vom Aufklebertyp eingeführt, um die elektrochemische Leistung zu verbessern. Die Katecholgruppen in Dopamin liefern redox-aktive Einheiten für pseudokapazitive Elektroden. Dadurch waren sie in der Lage, flexible Energiespeicher vom Aufklebertyp zu entwickeln, die hohe volumetrische Energiedichten ähnlich denen von Lithium-Dünnschichtbatterien mit einer ausgezeichneten volumetrischen Leistungsdichte aufweisen, die 13 Mal höher ist als die ihrer Pendants.

Dr. Hana Yoon von KIER, der Hauptforscherin dieser Studie, sagte: "Unsere flexiblen MSCs vom Aufklebertyp lassen sich leicht wieder an tragbaren Geräten und IoT-Geräten der nächsten Generation befestigen und sind umweltfreundlich. Es wird erwartet, dass sie viele Hindernisse der Energiespeichertechnologien auf Lithiumbasis lösen werden".

Auch KAIST-Professor Young-jin Kim, ein Mitforscher dieser Studie, sagte: "Die aus dieser Studie entwickelte Strukturierungstechnologie erzeugte mit dem Ultrakurzpulslaser in relativ kurzer Zeit ein einzigartiges geschwollenes Graphen und minimierte gleichzeitig den Materialverlust. Diese Technologie hat das Potential, industrielle Anwendungen von laserinduziertem Graphen in verschiedenen Sektoren zu fördern.

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