Porøs kulfiberforskning et skridt nærmere brug i bilindustrien

En opdatering om nylig rapporteret forskning om porøse kulfibre viser, hvordan dette materiale kan bruges i industrielle omgivelser, markerer et vigtigt skridt fra det teoretiske til anvendelse.

Guoliang "Greg" Liu, en assisterende professor i kemi i College of Science og medlem af Macromolecules Innovation Institute, har arbejdet på at udvikle kulfibre med ensartede porøse strukturer. I en tidsskriftsartikel offentliggjort for nylig i Videnskabens fremskridt , Liu beskrev, hvordan hans laboratorium brugte blokcopolymerer til at skabe kulfiber med mesoporer ensartet spredt overalt, ligner en svamp.

Bare en uge efter, Liu har udgivet endnu en artikel, denne gang i Naturkommunikation . Den nye artikel viser, hvordan Lius porøse kulfibre kan muliggøre høj energitæthed og høje elektron/ion-opladningshastigheder, som typisk udelukker hinanden i elektrokemiske energilagringsenheder.

"Dette er det næste skridt, der vil være relevant for industrien, " sagde Liu. "Vi ønsker at lave en industrivenlig proces. Nu bør industrien seriøst se på kulfiber ikke kun som et strukturelt materiale, men også en energilagringsplatform til biler, fly, og andre."

Introduktion af pseudokapacitive materialer

Kulfibre er allerede meget udbredt i rumfarts- og bilindustrien på grund af deres høje ydeevne inden for en række områder, inklusive mekanisk styrke og vægt. Lius langsigtede vision er at bygge udvendige bilskaller af porøse kulfibre, der kan lagre energi i porerne.

Men kulstof i sig selv er ikke tilstrækkeligt. Selvom et strukturelt primært materiale, kulstof har ikke høj nok energitæthed til at skabe superkondensatorer til meget krævende applikationer.

Den nuværende industristandard kobler kulstof med det, der er kendt som pseudokapacitive materialer, som låser op for evnen til at lagre en stor mængde energi, men inducerer et andet problem med langsom ladnings-afladningshastighed.

Et almindeligt anvendt pseudokapacitivt materiale er manganoxid (MnO2) på grund af dets lave omkostninger og rimelige ydeevne. For at fylde MnO2 på kulfiber eller andet materiale, Liu gennemvæder fibrene i en opløsning af KMnO4-precursor. Prækursoren reagerer derefter med kulstof, ætser et tyndt lag kulstof væk, og forankrer på resten af ​​kulstoffet, skabe et tyndt lag på omkring 2 nm i tykkelse.

Men industrien står over for en udfordring med MnO2. For lidt MnO2 betyder, at lagerkapaciteten er for lav. For meget MnO2 skaber en for tyk pels, der er elektrisk isolerende. Og værre, det bremser transporten af ​​ioner. Begge bidrager til langsomme opladnings-afladningshastigheder.

"Vi ønsker at koble kulstof med pseudokapacitive materialer, fordi de tilsammen har en meget højere energitæthed end rent kulstof. Nu er spørgsmålet, hvordan man løser problemet med elektron- og ionledningsevne, " sagde Liu.

Imidlertid, Liu har opdaget, at hans porøse kulfibre kan overvinde dette dødvande. Tests i hans laboratorium viste det bedste fra begge verdener:høj belastning af MnO2 og vedvarende høje opladnings- og afladningshastigheder.

Lius laboratorium beviste, at de kunne indlæse op til 7 mg/cm2 MnO2, før ydeevnen faldt. Det er det dobbelte eller næsten tredobbelte af mængden af ​​MnO2, som industrien i øjeblikket kan bruge.

"Vi har opnået 84 procent af den teoretiske grænse for dette materiale ved en massebelastning på 7 mg/cm2, " sagde Liu. "Hvis du fylder 7 mg/cm2 af andre materialer, du når ikke dette."

Kortvarige ansøgninger

Med den hastighed, som Lius laboratorium udgiver resultater, biler drevet af udvendige skaller kunne være her hurtigere, end vi tror, men Liu pumper bremserne på den idé.

"I en langsigtet vision, vi kunne erstatte benzin med kun elektriske superkondensatorbiler, " sagde Liu. "I dette øjeblik, det mindste af, hvad vi kunne gøre, er at bruge dette som en energilagringsdel i biler."

Liu sagde, at en kortsigtet applikation kunne være at bruge kulfiberdelene til at levere masser af energi på kort tid for at accelerere biler hurtigere.

Men Liu ser også ud over bilindustrien til andre transportapplikationer.

"Hvis du vil have en drone til at levere produkter til Amazon, du vil have dronen til at bære så meget vægt som muligt, og du vil have dronen til at være så let som muligt, " sagde Liu. "Kulfiberbaserede droner kan udføre begge opgaver. Kulfibrene er stærke strukturelle materialer til at transportere varerne, og de er energilagringsmaterialer til at levere strøm til transport."

Forskningen i dette materiale accelererer i Lius laboratorium, og han sagde, at han stadig har mange flere ideer at teste.

"Det, jeg tror, ​​er, at porøse kulfibre er et platformsmateriale, " sagde Liu. "De første to papirer, vi fokuserede på energilagring til køretøjer. Men vi tror på, at dette materiale kan mere end det. Forhåbentlig kan vi snart fortælle flere historier."