未来のウェアラブルデバイスに電力供給するストレッチャブルなスーパーキャパシタ

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(Stretchable Supercapacitors to Power Tomorrow’s Wearable Devices)

2020/3/19 アメリカ合衆国・デューク大学

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・ デューク大学とミシガン州立大学(MSU)は、元のサイズの 8 倍に引き伸ばしても完全に機能する新しいタイプのスーパーキャパシタを開発。ウェアラブルエレクトロニクスやバイオメディカルデバイス等のアプリケーションで、独立電力型のフレキシブルな電子システムとしての役割が期待される。
・ 同デバイスでは、伸縮の繰り返しによる損耗は全く見られず、1 万サイクルの充放電後でも僅か数パーセントのエネルギー性能しか失われない。
・ 電池は、化学的にエネルギーを貯蔵し、化学反応によって電荷を生成するが、電気二重層スーパーキャパシタ ( EDLSC ) は、電荷分離によってエネルギーを貯蔵し、それ自体では発電できないため、外部からの充電が必要。
・ また、スーパーキャパシタでは、電池のような長く緩慢な小容量放電ではなく、瞬間的な大容量放電が可能。電池に比べ充放電が高速で、多数の充放電サイクルに耐えられるので、カメラのフラッシュやステレオのアンプなど、短時間で高出力のアプリケーションには最適。しかし、ほとんどのスーパーキャパシタは、回路基板上の他の部品のように硬く脆いため、伸縮性のあるスーパーキャパシタが、長年研究されてきた。
・ 本研究では、2 V 以上を蓄えられる切手サイズのスーパーキャパシタを開発し、現在までの研究成果を実証。これらのスーパーキャパシタデバイスを 4 個接続すると、2V のカシオの腕時計に電力を 1 時間半供給できた。
・ シリコンウェハー上に直径 15nm、高さ 20〜30μm のカーボンナノチューブ数百本のカーボンナノチューブ(CNT)のフォレストを成長させ、その上に金ナノフィルムの薄膜層を重ねた電極を作製。金薄膜層が集電体として機能し、デバイスの抵抗を従来版よりも格段低くすることで、デバイスの充放電が大幅に高速化する。
・ その後、同 CNT フォレストを、金薄膜層の面を下にして延伸処理済みのエラストマー基板に移す。ゲルを充填した電極を弛緩して予歪みを解放すると、元のサイズの 1/4 に収縮。これにより金薄膜層に皺が寄ることで、CNT フォレストの「木々」が倒壊。狭いスペースで表面積が飛躍的に増大し、充電容量が増加する。
・ 次に、超高密度化したCNT フォレストを、ナノチューブ表面で電子を捕獲するゲル電解質で満たす。完成したこれらの電極を近接に張り合わせると、印加電圧が電子と共に片側のみに蓄えられた、充電済みの超伸縮性スーパーキャパシタができる。
・ 伸縮性のスーパーキャパシタは、次世代デバイスの電源や、他のコンポーネントと組み合わせたエンジニアリング課題解決のための利用が考えられる。スーパーキャパシタを数秒間充電後にデバイスの主要電源の電池をゆっくりと充電する、ハイブリッド車の回生ブレーキで利用されているアプローチや、あるいは、日本ですでに実証されている、都市部の通勤用バスの電力供給等の例が挙げられる。
・ 本研究は、米国立科学財団(NSF)(ECCS-1344745)、USDA 国立食品農業研究所(NIFA) (Hatch Project 1016788) 、MSU、および NSF (ECCS-1542015) の支援を受けた North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network ( RTNN ) が支援した。
URL: https://pratt.duke.edu/about/news/stretchable-supercapacitors

(関連情報)
Matter 掲載論文(フルテキスト)
Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors
URL: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30113- 2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS25902385203011 32%3Fshowall%3Dtrue

<NEDO海外技術情報より>

Summary

Stretchable supercapacitors based on vertically aligned nanotubes or nanowires have attracted considerable attention because of their improved robustness and electrochemical performance under large and repeated deformations. Here, we demonstrate a robust and high-performance stretchable electrode based on crumpled Au-coated carbon nanotube forest (Au-CNT forest). Experimental measurements show that the resistance of the Au-CNT forest electrode is around one order magnitude lower than that of a pure CNT forest electrode. The biaxially crumpled Au-CNT forest electrode demonstrates nearly identical electrochemical performance at different measured charge/discharge rates under different strain conditions (i.e., from 0% to 800% area strain). The as-prepared symmetric supercapacitor demonstrates a maximum specific capacitance of ∼6 mF cm−2 at the current density of 40 mA cm−2 under large strains, exhibiting superior mechanical and electrochemical stability. This research presents a facile process to fabricate highly stretchable supercapacitors based on vertically aligned nanotubes or nanowires for achieving exceptional and robust electrochemical performance.

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