Superkondensatormateriale med energitæthed 2,7 gange højere end konventionelle materialer

Et forskerhold ledet af Tohoku University i Japan har udviklet nye materialer til superkondensatorer med højere spænding og bedre stabilitet end andre materialer. Deres forskning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Superkondensatorer er genopladelige energilagringsenheder med en bred vifte af anvendelser, fra maskiner til smarte målere. De giver mange fordele i forhold til batterier, herunder hurtigere opladning og længere levetid, men de er ikke så gode til at gemme masser af energi.

Forskere har længe søgt efter højtydende materialer til superkondensatorer, der kan opfylde kravene til energikrævende applikationer såsom biler. "Det er meget udfordrende at finde materialer, der både kan fungere ved højspænding og forblive stabile under barske forhold, " siger Hirotomo Nishihara, materialeforsker ved Tohoku University og medforfatter til papiret.

Nishihara og hans kolleger samarbejdede med superkondensatorproduktionsvirksomheden TOC Capacitor Co. for at udvikle et nyt materiale, der udviser ekstraordinært høj stabilitet under forhold med høj spænding og høj temperatur.

Aktivt kul bruges til elektroderne i kondensatorer, men disse er begrænset af lav spænding i enkeltceller, byggestenene, der udgør kondensatorer. Det betyder, at et stort antal celler skal stables sammen for at opnå den nødvendige spænding. Afgørende, det nye materiale har højere enkeltcellespænding, reducere stablingstallet og tillade enheder at være mere kompakte.

Det nye materiale er et ark lavet af en kontinuerlig tredimensionel ramme af grafen mesospong, et kulstofbaseret materiale, der indeholder porer i nanoskala. Et nøgletræk ved materialerne er, at det er sømløst - det indeholder et meget lille antal kulstofkanter, steder, hvor korrosionsreaktioner opstår, og det gør den ekstremt stabil.

Forskerne undersøgte de fysiske egenskaber af deres nye materiale ved hjælp af elektronmikroskopi og en række fysiske tests, herunder røntgendiffraktion og vibrationsspektroskopi. De testede også kommercielle grafen-baserede materialer, inklusive enkeltvæggede kulstof nanorør, reducerede grafenoxider, og 3-D grafen, bruge aktivt kul som benchmark til sammenligning.

De viste, at materialet havde fremragende stabilitet ved høje temperaturer på 60 °C og højspænding på 3,5 volt i en konventionel organisk elektrolyt. Væsentligt, den viste ultrahøj stabilitet ved 25°C og 4,4 volt - 2,7 gange højere end konventionelt aktivt kul og andre grafenbaserede materialer. "Dette er en verdensrekord for spændingsstabilitet af kulstofmaterialer i en symmetrisk superkondensator, " siger Nishihara.

Det nye materiale baner vejen for udvikling af meget holdbare, højspændings superkondensatorer, der kan bruges til mange applikationer, herunder motorkøretøjer.