Одна из основных проблем, которую необходимо преодолеть растягиваемой электронике, – это жесткость и негибкость их компонентов накопителей энергии, батарей и суперконденсаторов. Суперконденсаторы, в которых используются электроды из карбидов, карбонитридов или нитридов переходных металлов, называемые MXenes, обладают желательными электрическими свойствами для портативных гибких устройств, таких как быстрая зарядка и разрядка.
А способ, которым 2D-MXenes могут образовывать многослойные нанолисты, обеспечивает большую площадь поверхности для хранения энергии, когда они используются в электродах. Однако предыдущим исследователям приходилось использовать полимеры и другие наноматериалы, чтобы электроды этого типа не ломались при изгибе, что снижает их электрическую емкость. Итак, Дешенг Конг и его коллеги хотели посмотреть, будет ли деформирование пленки MXene из нетронутого карбида титана в форме гармошки гребешков сохранить электрические свойства электрода, добавляя гибкости и растяжимости суперконденсатору.
Исследователи раздробили порошок карбида титана-алюминия на хлопья с плавиковой кислотой и захватили слои нанолистов чистого карбида титана в виде грубо текстурированной пленки на фильтре. Затем они поместили пленку на кусок предварительно растянутого акрилового эластомера, размер которого в расслабленном состоянии составлял 800%.
Когда исследователи выпустили полимер, он сжался до исходного состояния, а приклеенные нанолисты смялись в складки, похожие на гармошку.
В первоначальных экспериментах команда обнаружила, что лучший электрод был сделан из пленки толщиной 3 мкм, которую можно было многократно растягивать и расслаблять без повреждения и без изменения его способности накапливать электрический заряд. Команда использовала этот материал для изготовления суперконденсатора, поместив гелевый электролит из поливинил (спирта) и серной кислоты между парой эластичных электродов из карбида титана. Устройство имело высокую энергоемкость, сравнимую с суперконденсаторами на основе MXene, разработанными другими исследователями, но также обладало исключительной растяжимостью до 800% без растрескивания нанолистов.
Он сохранил примерно 90% своей емкости хранения энергии после 1000 раз растягивания, а также после сгибания или скручивания. Исследователи говорят, что превосходное хранение энергии и электрическая стабильность их суперконденсаторов привлекательны для растягиваемых устройств хранения энергии и носимых электронных систем.
Авторы выражают признательность за финансирование со стороны Программы ключевых исследований и разработок Департамента науки и технологий провинции Цзянсу, Китайского научного фонда постдокторантуры и Программы развития предпринимательских и инновационных талантов на высоком уровне провинции Цзянсу.