Forskere udvikler grafen-superkondensator, der holder løfte for bærbar elektronik

(PhysOrg.com) -- Elektrokemiske kondensatorer (EC'er), også kendt som superkapacitorer eller ultrakapacitorer, adskiller sig fra almindelige kondensatorer, som du ville finde i dit TV eller computer, ved at de gemmer væsentligt større mængder af ladninger. De har fået opmærksomhed som energilagringsenheder, da de oplader og aflades hurtigere end batterier, men de er stadig begrænset af lave energitætheder, kun en brøkdel af batteriernes energitæthed. Et EC, der kombinerer kondensatorernes effektydelse med batteriernes høje energitæthed, ville repræsentere et betydeligt fremskridt inden for energilagringsteknologi. Dette kræver nye elektroder, der ikke kun opretholder høj ledningsevne, men også giver et højere og mere tilgængeligt overfladeareal end konventionelle EC'er, der bruger aktiverede kulelektroder.

Nu har forskere ved UCLA brugt et standard LightScribe DVD-optisk drev til at producere sådanne elektroder. Elektroderne er sammensat af et udvidet netværk af grafen-et et-atom-tykt lag grafitisk kulstof-der viser fremragende mekaniske og elektriske egenskaber samt usædvanligt højt overfladeareal.

UCLA forskere fra Institut for Kemi og Biokemi, Institut for Materialevidenskab og Teknik, og California NanoSystems Institute demonstrerer højtydende grafen-baserede elektrokemiske kondensatorer, der opretholder fremragende elektrokemiske egenskaber under høj mekanisk belastning. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Videnskab .

Processen er baseret på at belægge en DVD-disk med en film af grafitoxid, der derefter laserbehandles inde i et LightScribe DVD-drev for at producere grafenelektroder. Typisk, ydeevnen af ​​energilagringsenheder evalueres af to hovedtal, energitætheden og effekttætheden. Antag, at vi bruger enheden til at køre en elbil - energitætheden fortæller os, hvor langt bilen kan gå en enkelt opladning, mens strømtætheden fortæller os, hvor hurtigt bilen kan køre. Her, enheder fremstillet med Laser Scribed Graphene (LSG)-elektroder udviser ultrahøje energitæthedsværdier i forskellige elektrolytter, mens de bibeholder den høje effekttæthed og fremragende cyklusstabilitet af EC'er. I øvrigt, disse EC'er opretholder fremragende elektrokemiske egenskaber under høj mekanisk belastning og lover derfor høj effekt, fleksibel elektronik.

"Vores undersøgelse viser, at vores nye grafenbaserede superkapacitorer gemmer lige så meget opladning som konventionelle batterier, men kan oplades og aflades hundrede til tusind gange hurtigere, " sagde Richard B. Kaner, professor i kemi og materialevidenskab og teknik.

"Her, vi præsenterer en strategi for produktion af højtydende grafenbaserede EC'er gennem en simpel all solid-state tilgang, der undgår omstabling af grafenark, " sagde Maher F. El-Kady, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og en kandidatstuderende i Kaners laboratorium.

Forskerholdet har fremstillet LSG-elektroder, der ikke har problemerne med aktiverede kulelektroder, der hidtil har begrænset ydeevnen af ​​kommercielle EC'er. Først, LightScribe -laseren forårsager samtidig reduktion og eksfoliering af grafitoxid og producerer et åbent netværk af LSG med væsentligt højere og mere tilgængeligt overfladeareal. Dette resulterer i en betydelig ladningslagringskapacitet for LSG-superkondensatorerne. Elektrodernes åbne netværksstruktur hjælper med at minimere elektrolytionernes diffusionsvej, hvilket er afgørende for opladning af enheden. Dette kan forklares med de let tilgængelige flade grafenark, hvorimod det meste af overfladearealet af aktivt kul ligger i meget små porer, der begrænser diffusionen af ​​ioner. Dette betyder, at LSG-superkondensatorer har evnen til at levere ultrahøj effekt på kort tid, hvorimod aktivt kul ikke kan.

Derudover LSG-elektroder er mekanisk robuste og udviser høj ledningsevne (> 1700 S/m) sammenlignet med aktivt kul (10-100 S/m). Dette betyder, at LSG-elektroder kan bruges direkte som superkondensatorelektroder uden behov for bindere eller strømaftagere, som det er tilfældet for konventionelle aktiverede kul-EC'er. Desuden, disse egenskaber gør det muligt for LSG at fungere som både det aktive materiale og strømopsamleren i EF. Kombinationen af ​​begge funktioner i et enkelt lag fører til en forenklet arkitektur og gør LSG superkondensatorer omkostningseffektive enheder.

Kommercielt tilgængelige EC'er består af en separator, der er klemt mellem to elektroder med flydende elektrolyt, der enten er spiralformet viklet og pakket i en cylindrisk beholder eller stablet i en knapcelle. Desværre, disse enhedsarkitekturer lider ikke kun af mulig skadelig lækage af elektrolytter, men deres design gør det svært at bruge dem til praktisk fleksibel elektronik.

Forskerholdet erstattede den flydende elektrolyt med en polymergeleret elektrolyt, der også fungerer som en separator, yderligere at reducere enhedens tykkelse og vægt og forenkle fremstillingsprocessen, da den ikke kræver specielle emballagematerialer.

For at vurdere under reelle forhold potentialet af denne hel-faststof LSG-EC for fleksibel opbevaring, forskerholdet placerede en enhed under konstant mekanisk belastning for at analysere dens ydeevne. Interessant nok, dette havde næsten ingen effekt på enhedens ydeevne.

"Vi tilskriver den høje ydeevne og holdbarhed til elektrodernes høje mekaniske fleksibilitet sammen med den gennemtrængende netværksstruktur mellem LSG-elektroderne og den gelerede elektrolyt, "forklarer Kaner." Elektrolytten størkner under enhedens samling og fungerer som lim, der holder enhedens komponenter sammen. "

Metoden forbedrer den mekaniske integritet og øger enhedens livscyklus, selv når den testes under ekstreme forhold.

Da denne bemærkelsesværdige ydeevne endnu ikke er blevet realiseret i kommercielle enheder, disse LSG-superkondensatorer kunne vise vejen til ideelle energilagringssystemer til næste generations fleksible, bærbar elektronik.