Дальнейшее развитие современных устройств на элементной базе наноэлектроники требует лёгких, тонких и гибких вторичныххимических источников тока, которые выдерживали бы многократные циклы зарядки/разрядки. На сегодняшний день почти во всех портативных устройствах используются литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы, обладающие высокой плотностью запасаемой энергии и длительным сроком службы, однако в их состав входят довольно много частей (в частности, токосъёмных полосок и соединительных контактов) из тяжёлых металлов: меди (~10 мг/см3) и алюминия (5 мг/см3).

Заменить тяжёлые металлы на более лёгкий материал из углеродных нанотрубок (~0,2 мг/см³) решилась группа учёных из стенфордского университета (США). Авторы недавно опубликованной работы предложили использовать “roll-to-roll” процесс для формирования на подложке из нержавеющей стали слоёв «бумаги» из УНТ и LTO (Li₄Ti₅O₁₂) или LCO (LiCoO₂), которые затем отслаивали от подложки и интегрировались с мембраной и вторым слоем УНТ бумаги (Рисунок 1).

Рис. 1. (a) Общая схема “roll-to-roll” процесса. (b) УНТ бумага с LTO слева: на подложке из нержавеющей стали; посередине: в момент отслаивания; справа: в свободном состоянии. (с-d) Схема финального процесса создания батарейки. (e) Фотография готовой батарейки перед измерениями электрохимических характеристик.

Однако самое необычное оказалось в том, что мембраной между двумя противоэлектродами может выступать обычная бумага для ксерокса! На Рисунке 2 представлены микрофотографии полученного бумажного сендвича, которые демонстрируют, что ксероксная бумага довольно плотная и предотвращает прямой контакт между противоэлектродами, не препятствуя диффузии ионов лития, а углеродные нанотрубки не проникли внутрь материала LTO или LCO.

Рис. 2. SEM-микрофотографии: (a) ксероксной бумаги, (b-c) поперечного сечения батарейки, (d) поверхности УНТ бумаги.

Также важно отметить, что полная толщина батарейки составляет всего ~300 мкм. Электрохимическое поведение и работа бумажной батарейки представлено на Рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Электрохимические характеристики батарейки: (a) Гальваностатические кривые зарядки/разрядки для системы УНТ/бумага относительно литиевого электрода. (b) Импеданс ксероксной бумаги в литий-ионной батарейке с LTO и литиевым катодом. На вставке: зависимость импеданса от количества слоёв бумаги. © Кривые зарядки/разрядки для половинки батареи с LTO. (d) Циклирование половинки батареи с LTO.

Рис. 4. (a-b) Работа гибкой батареи в любых условиях. (с) Кривые зарядки/разрядки для «бислойной» батареи с Рисунка 1d. (d) Саморазряд батареи. На вставке: циклирование «бислойной» батареи. (e) Сравнение с другим тонкими и гибкими литий-ионными батареями. (f) Схема сборки стека батарей (более подробно см. Рисунок 5).

Пример создания стека из таких батарей продемонстрирован на Рисунках 5 и 6.

Рис. 5. Схема стека из отдельных «бумажных» батарей.

Рис. 6. Светящийся LED от стека «бумажных» батарей.

Как отмечают авторы работы, такие тонкие, гибкие и практически «невесомые» вторичные источники тока с лёгкостью найдут своё применение в множестве применений: от интегрированных RFID меток до умной одежды и портативных компьютеров.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Liangbing Hu, Hui Wu, Fabio La Mantia, Yuan Yang, and Yi Cui Thin, Flexible Secondary Li-Ion Paper Batteries. – ACS Nano, Article ASAP. – DOI: 10.1021/nn1018158, Publication Date (Web): September 13, 2010.

По материалам: