Inspireret af naturen:Design til ny elektrode kunne øge superkondensatorernes ydeevne

Mekaniske ingeniører fra UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science og fire andre institutioner har designet en supereffektiv og langtidsholdbar elektrode til superkondensatorer. Enhedens design var inspireret af strukturen og funktionen af ​​blade på grene, og det er mere end 10 gange mere effektivt end andre designs.

Elektrodedesignet giver den samme mængde energilagring, og leverer lige så meget kraft, som lignende elektroder, på trods af at den er meget mindre og lettere. I eksperimenter producerede den 30 procent bedre kapacitans - en enheds evne til at lagre en elektrisk ladning - for dens masse sammenlignet med den bedst tilgængelige elektrode lavet af lignende kulstofmaterialer, og 30 gange bedre kapacitans pr. område. Den producerede også 10 gange mere strøm end andre designs og beholdt 95 procent af sin oprindelige kapacitans efter mere end 10, 000 opladningscyklusser.

Deres arbejde er beskrevet i journalen Naturkommunikation .

Superkondensatorer er genopladelige energilagringsenheder, der leverer mere strøm til deres størrelse end batterier af lignende størrelse. De genoplades også hurtigt, og de holder i hundredvis til tusindvis af genopladningscyklusser. I dag, de bruges i hybridbilers regenerative bremsesystemer og til andre formål. Fremskridt inden for superkondensatorteknologi kan gøre deres brug udbredt som et supplement til, eller endda erstatning for, jo mere velkendte batterier køber forbrugerne hver dag til husholdningselektronik.

Ingeniører har vidst, at superkondensatorer kunne gøres kraftigere end nutidens modeller, men en udfordring har været at producere mere effektive og holdbare elektroder. Elektroder tiltrækker ioner, som lagrer energi, til overfladen af ​​superkondensatoren, hvor den energi bliver tilgængelig til brug. Ioner i superkondensatorer opbevares i en elektrolytopløsning. En elektrodes evne til at levere lagret strøm hurtigt bestemmes i høj grad af, hvor mange ioner den kan udveksle med den løsning:Jo flere ioner den kan udveksle, jo hurtigere kan den levere strøm.

Ved det, forskerne designet deres elektrode til at maksimere dens overfladeareal, skabe størst mulig plads til at tiltrække elektroner. De hentede inspiration fra træernes struktur, som er i stand til at absorbere rigelige mængder kuldioxid til fotosyntese på grund af overfladearealet af deres blade.

"Vi finder ofte inspiration i naturen, og planter har opdaget den bedste måde at absorbere kemikalier såsom kuldioxid fra deres miljø, " sagde Tim Fisher, undersøgelsens hovedefterforsker og en UCLA-professor i maskin- og rumfartsteknik. "I dette tilfælde, vi brugte den idé, men i høj grad, meget mindre skala - omkring en milliontedel af størrelsen, faktisk."

For at skabe gren-og-blade-designet, forskerne brugte to strukturer i nanoskala bestående af kulstofatomer. "Grene" er rækker af hule, cylindriske carbon nanorør, ca. 20 til 30 nanometer i diameter; og "bladene" er skarpkantede kronbladslignende strukturer, omkring 100 nanometer bred, der er lavet af grafen - ultratynde plader af kulstof. Bladene arrangeres derefter på omkredsen af ​​nanorørstænglerne. De bladlignende grafenblade giver også elektroden stabilitet.

Ingeniørerne formede derefter strukturerne til tunnelformede arrays, som ionerne, der transporterer den lagrede energi, strømmer igennem med meget mindre modstand mellem elektrolytten og overfladen for at levere energi, end de ville, hvis elektrodeoverfladerne var flade.

Elektroden fungerer også godt under sure forhold og høje temperaturer, begge miljøer, hvor superkondensatorer kunne bruges.