de.wedoany.com-Bericht: Die Abteilung für Chemieingenieurwesen der Sungkyunkwan-Universität (Sungkyunkwan University, SKKU) in Südkorea hat einen extrem dehnbaren Hydrogel-Elektrolyten entwickelt, der auf das Neunfache seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann und seine volle Funktionsfähigkeit bei minus 20 Grad Celsius behält. Die Forschung wurde von Dr. Sungjune Park, einem Experten für flexible Elektronik und Professor, geleitet. Das Team verwendete flüssige Metallpartikel, um diesen neuartigen Elektrolyten aufzubauen.
Die rasche Entwicklung tragbarer und biointegrierter elektronischer Geräte stellt höhere Anforderungen an flexible Energiespeichersysteme, die unter Biegung, Dehnung und rauen Umgebungsbedingungen eine stabile Leistung aufrechterhalten müssen. Herkömmliche Hydrogel-Elektrolyte bieten zwar Flexibilität und hohe Ionenleitfähigkeit, weisen jedoch eine unzureichende mechanische Festigkeit auf und neigen bei niedrigen Temperaturen zum Einfrieren, was ihre praktische Anwendung einschränkt.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, verwendete das Forschungsteam flüssige Metallpartikel (LMPs) als Polymerisationsinitiatoren. Durch Ultraschallbehandlung wurden die massiven flüssigen Metalle in feine Partikel zerkleinert, wodurch die Polymerisation von Acrylamid und Acrylsäure ausgelöst und ein Hydrogel gebildet wurde. Diese Methode erfordert keine Erwärmung, UV-Strahlung oder andere externe Stimuli und vereinfacht den Herstellungsprozess. Die Forscher fügten außerdem Stearyl-Methacrylat (SMA) hinzu, ein hydrophobes Material, das reversible physikalische Vernetzungen zwischen den Polymerketten bildet. Diese können unter Belastung Energie absorbieren und sich nach Wegfall der Belastung wieder neu bilden, wodurch die Haltbarkeit und Dehnbarkeit des Hydrogels verbessert werden.
Tests zeigten, dass das Hydrogel vor dem Bruch auf das Neunfache seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann, was einer Bruchdehnung von etwa 900 % entspricht. Nach dem Einweichen des Hydrogels in eine Lithiumchloridlösung werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen unterdrückt, was ein Einfrieren verhindert und gleichzeitig die Flexibilität des Materials erhält. Bei minus 20 Grad Celsius behielt der Elektrolyt seine Ionenleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften. Ein auf diesem Material basierendes Energiespeichergerät erreichte nach 45.000 Lade-Entlade-Zyklen eine Kapazitätserhaltungsrate von 98 %.
Dr. Sungjune Park wies darauf hin, dass diese Arbeit eine neue Designstrategie für Hydrogel-Elektrolyte auf Basis flüssiger Metalle bietet und eine praktikable Plattform für tragbare Elektronik und flexible Energiespeichersysteme schafft, die unter extremen Bedingungen betrieben werden können. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nano-Micro Letters“ veröffentlicht.
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