Aktiveret grafen laver overlegne superkondensatorer til energilagring

(PhysOrg.com) - Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har hjulpet med at afdække nanoskalastrukturen af ​​en ny form for kulstof, bidrager til en forklaring på, hvorfor dette nye materiale fungerer som en superabsorberende svamp, når det kommer til at opsuge elektrisk ladning. Materialet, som for nylig blev oprettet på University of Texas - Austin, kan indbygges i "supercapacitor" energilagringsenheder med bemærkelsesværdig høj lagerkapacitet, mens andre attraktive egenskaber bevares, såsom superhurtig energifrigivelse, hurtig genopladningstid, og en levetid på mindst 10, 000 opladnings-/afladningscyklusser.

"Disse egenskaber gør denne nye form for kulstof særligt attraktiv til at imødekomme behovet for elektrisk energilagring, der også kræver en hurtig frigivelse af energi - f.eks. i elektriske køretøjer eller for at udjævne strømtilgængeligheden fra intermitterende energikilder, såsom vind- og solenergi, " sagde Brookhaven materialeforsker Eric Stach, en medforfatter på et papir, der beskriver materialet udgivet i Videnskab den 12. maj, 2011.

Superkondensatorer ligner batterier, idet de begge opbevarer elektrisk ladning. Batterier gør det gennem kemiske reaktioner mellem metalliske elektroder og en flydende elektrolyt. Fordi disse kemikalier tager tid at reagere, energi lagres og frigives relativt langsomt. Men batterier kan lagre meget energi og frigive den over ret lang tid.

Superkondensatorer, på den anden side, lagre ladning i form af ioner på overfladen af ​​elektroderne, ligner statisk elektricitet, frem for at stole på kemiske reaktioner. Opladning af elektroderne får ioner i elektrolytten til at separere, eller polarisere, så godt - så ladningen bliver lagret ved grænsefladen mellem elektroderne og elektrolytten. Porer i elektroden øger det overfladeareal, hvorover elektrolytten kan flyde og interagere - øger mængden af ​​energi, der kan lagres.

Men fordi de fleste superkondensatorer ikke kan holde nær så meget opladning som batterier, deres anvendelse har været begrænset til applikationer, hvor der hurtigt er behov for mindre mængder energi, eller hvor lang livscyklus er afgørende, såsom i mobile elektroniske enheder.

Det nye materiale udviklet af UT-Austin-forskerne kan ændre på det. Superkondensatorer lavet af det har en energilagringskapacitet, eller energitæthed, der nærmer sig energitætheden af ​​bly-syre batterier, samtidig med at den høje effekttæthed bevares - dvs. hurtig energifrigivelse - det er karakteristisk for superkondensatorer.

"Dette nye materiale kombinerer egenskaberne ved begge elektriske lagersystemer, "sagde University of Texas teamleder Rodney Ruoff." Vi var temmelig forbløffet over dets enestående præstation. "

UT-Austin-teamet havde sat sig for at skabe en mere porøs form for kulstof ved at bruge kaliumhydroxid til at omstrukturere kemisk modificerede grafen-blodplader - en form for kulstof, hvor atomerne er opstillet i fliselignende ringe, der ligger fladt for at danne enkeltatom-tykke ark. En sådan "kemisk aktivering" er tidligere blevet brugt til at skabe forskellige former for "aktiveret kul, " som har porer, der øger overfladearealet og bruges i filtre og andre applikationer, inklusive superkondensatorer.

Men fordi denne nye form for kulstof var så overlegen i forhold til andre, der blev brugt i superkondensatorer, UT-Austin-forskerne vidste, at de var nødt til at karakterisere dens struktur på nanoskala.

Ruoff havde dannet en hypotese om, at materialet bestod af et kontinuerligt tredimensionelt porøst netværk med enkeltatom-tykke vægge, hvor en væsentlig del er "negativ krumningskulstof, " ligner indersiden af ​​buckyballs. Han henvendte sig til Stach ved Brookhaven for at få hjælp med yderligere strukturel karakterisering for at verificere eller afkræfte denne hypotese.

Stach og Brookhaven-kollegaen Dong Su gennemførte en bred vifte af undersøgelser på Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), National Synchrotron Light Source (NSLS), og ved National Center for Electron Microscopy ved Lawrence Berkeley National Laboratory, alle tre faciliteter støttet af DOE Office of Science. "På DOE -laboratorierne vi har de højeste opløsningsmikroskoper i verden, så vi gik virkelig i gang med at karakterisere atomstrukturen, " sagde Stach.

"Vores undersøgelser afslørede, at Ruoffs hypotese faktisk var korrekt, og at materialets tredimensionelle nanoskalastruktur består af et netværk af stærkt buede, enkeltatom-tykke vægge, der danner bittesmå porer med bredder fra 1 til 5 nanometer, eller milliardtedele af en meter."

Undersøgelsen omfatter detaljerede billeder af den fine porestruktur og selve kulstofvæggene, samt billeder, der viser, hvordan disse detaljer passer ind i det store billede. "Dataene fra NSLS var afgørende for at vise, at vores meget lokale karakterisering var repræsentativ for det samlede materiale, " sagde Stach.

"Vi arbejder stadig sammen med Ruoff og hans team for at samle en komplet beskrivelse af materialestrukturen. Vi tilføjer også beregningsmæssige undersøgelser for at hjælpe os med at forstå, hvordan dette tredimensionelle netværk dannes, så vi potentielt kan skræddersy porestørrelserne til at være optimale til specifikke applikationer, inklusive kapacitiv lagring, katalyse, og brændselsceller, "Sagde Stach.

I mellemtiden forskerne siger, at de forarbejdningsteknikker, der bruges til at skabe den nye form for kulstof, er let skalerbare til industriel produktion. "Dette materiale - der er så let fremstillet af et af de mest udbredte grundstoffer i universet - vil have en bred vifte af indvirkninger på forskning og teknologi inden for både energilagring og energiomdannelse, " sagde Ruoff.