Pakning af ionerne:Discovery øger superkapacitorens energilagring

Flat er i beskuerens øje. Når du taler om nanomaterialer, imidlertid, det øje er stort set ubrugeligt, medmindre det ser gennem et elektronmikroskop eller på en computervisualisering. Alligevel kan gruber og kamme på en tilsyneladende flad overflade - så små, at de er usynlige uden sådanne værktøjer - give materialet forbløffende evner. Tricket for forskere, der er interesseret i at drage fordel af disse evner, ligger i at forstå og til sidst, forudsige, hvordan den mikroskopiske topografi af en overflade kan omsættes til transformative teknologier.

Drexel Universitys Yury Gogotsi og kollegaer havde for nylig brug for et atom-øjebillede af et lovende superkondensatormateriale for at sortere eksperimentelle resultater, der var spændende, men virkede ulogiske. Det synspunkt blev leveret af et forskerhold ledet af Oak Ridge National Laboratory (ORNL) beregningskemikere Bobby Sumpter og Jingsong Huang og beregningsfysiker Vincent Meunier.

Gogotsis team opdagede, at du kan øge energien, der er lagret i en kulstofsuperkondensator dramatisk, ved at krympe porerne i materialet til en tilsyneladende umulig størrelse - tilsyneladende umulig, fordi porerne var mindre end de opløsningsmiddeldækkede elektriske ladningsbærere, der skulle passe ind i dem. Holdet offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet Videnskab .

Mysteriet var ikke blot akademisk. Kondensatorer er en vigtig teknologi, der giver energi ved at holde en elektrisk ladning. De har flere fordele i forhold til traditionelle batterier - oplader og aflades næsten øjeblikkeligt og genoplader igen og igen, næsten på ubestemt tid, uden at blive slidt – men de har også ulemper – vigtigst af alt, de holder langt mindre energi.

En elektrisk dobbeltlags kondensator, eller superkondensator, repræsenterer et fremskridt i forhold til teknologien, der giver mulighed for langt større energitæthed. Mens i traditionelle kondensatorer er to metalliske plader adskilt af et ikke-ledende materiale kendt som et dielektrisk, i en superkondensator er en elektrolyt i stand til at danne et elektrisk dobbeltlag med elektrodematerialer, der har meget høje overfladearealer.

Som sådan, superkondensatorer er i stand til at opnå den samme effekt inden for et enkelt materiale, da materialets egenskaber opdeler det i separate lag med en meget tynd, ikke-ledende grænse. Fordi de både kan give afkald på et omfangsrigt dielektrisk lag og gøre brug af kulstoffets nanoskala porer, superkondensatorer er i stand til at lagre langt mere energi end deres traditionelle modstykker i en given volumen. Denne teknologi kan hjælpe med at øge værdien af ​​energikilder, der er rene, men sporadisk, udmåling af lagret energi under stilstandstider som nat for en solcelle eller rolige dage for en vindmølle.

Så Gogotsis opdagelse var potentielt banebrydende. Energien blev lagret i form af ioner i en elektrolyt, med ionerne omgivet af skaller af opløsningsmiddelmolekyler og pakket på overfladerne af nanoporøst kulstof. Forskerne var i stand til at kontrollere størrelsen af ​​porer i kulstofmaterialet, hvilket gør dem 0,7 til 2,7 nanometer. Det, de fandt, var, at den energi, der var lagret i materialet, steg dramatisk, da porerne blev mindre end en nanometer, selvom ionerne i deres solvationsskaller ikke kunne passe ind i så små rum.

"Det var et mysterium, " sagde Sumpter. "Mange mennesker satte spørgsmålstegn ved resultatet på det tidspunkt. Alligevel viste de eksperimentelle data en utrolig stigning i kapacitansen."

Heldigvis, det var et mysterium, at ORNL-holdet kunne optrevle.

"Vi troede, at dette var et perfekt tilfælde til beregningsmodellering, fordi vi bestemt kunne simulere nanometerstore porer, " sagde Sumpter. "Vi havde elektroniske strukturfunktioner, der kunne behandle det godt, så det var et meget godt problem for os at udforske."

Ved at bruge ORNL's Jaguar og Eugene supercomputere, Sumpter og hans team var i stand til at tage et kig på nanoskala på samspillet mellem ion og kulstofoverflade. En beregningsteknik kendt som tæthedsfunktionel teori tillod dem at vise, at det fænomen, som Gogotsi observerede, langt fra var umuligt. Faktisk, de fandt ud af, at ionen temmelig let springer ud af sin solvatiseringsskal og passer ind i nanoskalaens pore.

"Det går på en sådan måde, at det opløses i bulken for at komme ind, fordi der er elektrostatisk potentiale og van der Waals-kræfter, der trækker det ind, Sumpter forklarede. "Der er en hel masse forskellige kræfter involveret, men faktisk er det meget nemt for den at komme ind."

ORNL-teamet og kolleger på Clemson University, Drexel University, og Georgia Tech detaljerede deres resultater i en række publikationer, inklusive Angewandte Chemie , Chemistry-A European Journal , ACS Nano , Journal of Chemical Physics C , Fysisk kemi Kemisk fysik , Journal of Materials Research , og Nano Breve .

"Ud over, "Sumpter bemærkede, "de mikroskopiske buler og fordybninger på en carbonplade gør en dramatisk forskel i mængden af ​​energi, der kan lagres på eller i den.

"Når du kommer til nanoskalaen, overfladearealet er stort, og krumningen, både konkave og konvekse, kan være meget store. Dette gør en stor forskel i kapacitansen. Vi udledte en model, der forklarede alle de eksperimentelle data. Du kan bakke modellens stykker ud fra de elektroniske strukturberegninger, og ud fra den model kan du forudsige kapacitans for forskellige typer buede former og porestørrelser."

For eksempel, han sagde, beregningerne viste, at de ladningsbærende ioner lagres ikke kun ved at glide ind i porer, men også ved at hæfte sig til høje i materialet.

"Det er en positiv krumning i stedet for en negativ krumning, "Sumpter sagde, "og de kan lagre og frigive energi endnu hurtigere. Så du kan opbevare ioner inde i et hul, eller du kan opbevare ioner udenfor."

Ved at bruge disse og andre indsigter opnået gennem supercomputersimulering, ORNL-teamet gik sammen med kolleger på Rice University for at udvikle en fungerende superkondensator, der bruger atomtykke plader af kulstofmaterialer.

"Den bruger grafen på et substrat og en polymer-gelelektrolyt, "forklarede Sumpter, "så du producerer en enhed, der er fuldstændig gennemsigtig og fleksibel. Du kan vikle den rundt om din finger, men det er stadig en energilagringsenhed. Så vi er gået hele vejen fra at modellere elektroner til at lave en funktionel enhed, som du kan holde i hånden."