Fleksibel, papirbaseret superkondensator kunne forbedre ydeevnen af ​​hybride elbiler

(PhysOrg.com) - Forskere ved, at brug af superkondensatorer i forbindelse med batterier i høj grad kan øge brændstoføkonomien for hybride elektriske køretøjer (HEV'er) på grund af det faktum, at superkondensatorer kan genvinde og levere energi meget hurtigere end batterier. denne evne, for eksempel, tillader en superkondensator at genvinde al energien under hård opbremsning, mens et batteri ville tillade energien at blive spildt i friktionsbremsning på grund af dets manglende evne til hurtigt at høste energi.

"Batterier kan ikke hurtigt høste eller levere energi, " Rajesh Rajamani, en maskiningeniør professor ved University of Minnesota, fortalte PhysOrg.com . "Når et køretøj skal bremse hurtigt, friktionsbremser skal bruges ud over elektromagnetiske bremser, fordi de elektromagnetiske bremser ikke kan oplade et batteri hurtigt nok til at bremse køretøjet så hurtigt, som føreren ønsker. I modsætning til batterier, en superkondensator kan høste og levere energi meget hurtigt."

Imidlertid, en af ​​de største udfordringer forskerne står over for med at implementere superkondensatorer i HEV'er er at finde et sted under motorhjelmen til at passe til de omfangsrige enheder. En del af grunden til, at superkondensatorer er voluminøse, er, at de ofte bruger en farlig flydende elektrolyt, der skal forsegles og opbevares, og disse beskyttende materialer tilføjer vægt og volumen til enhederne.

For at undgå dette problem, Rajamani og hans kolleger Shan Hu fra University of Minnesota og Xun Yu fra University of North Texas har designet en superkondensator, der er fuldstændig solid-state, inklusive en solid-state elektrolyt, der ikke kræver omfangsrige beskyttelsesmaterialer. Den nye superkondensator klarer sig konkurrencedygtigt med kommercielle superkondensatorer, er alligevel tynd og fleksibel nok til, at den kan passe næsten overalt i en HEV, muligvis endda monteret på de indvendige overflader af køretøjets karrosseri. Forskerne offentliggjorde deres undersøgelse om den fleksible, solid-state superkondensatorer i et nyligt nummer af Anvendt fysik bogstaver .

"HEV'er på markedet i dag har ikke superkondensatorer, " sagde Rajamani. "Flere forskergrupper har arbejdet på brugen af ​​superkondensatorer sammen med batterier i HEV'er for at give bedre brændstoføkonomi og hurtigere køretøjsrespons. Vores forskning giver dem en ny superkondensator, der er fleksibel og solid-state og ikke kræver plads i motorhjelmen eller bagagerummet."

Den nye solid-state superkondensator består af enkeltvægget carbon nanorør-coated bomuldspapir som elektroder og en solid polymer som elektrolyt. For elektroderne, forskerne brugte det bomuldspapir, der normalt bruges til kosmetiske ansigtsmasker, da det er mere let og absorberende end trykpapir. Efter at have skåret bomuldspapiret til den ønskede form, forskerne dyppede gentagne gange papiret i en opløsning af syrebehandlede nanorør, som knyttede sig stærkt til papiret.

For elektrolytten, forskerne blandede og opvarmede en polymeropløsning, der oprindeligt lignede en klar, limlignende gel. Men efter at have dyppet de færdige elektroder i gelen, samle elektroderne ansigt til ansigt og lade alt tørre, det overskydende vand fordampede, og elektrolytten størknede.

"Den største betydning af vores arbejde er, at det har resulteret i en fleksibel og solid-state superkondensator, " sagde Rajamani. ”Andre forskere har tidligere brugt kulstofnanorør i elektroderne til superhætter. Imidlertid, deres superhætter brugte også flydende elektrolytter og var derfor hverken helt fast form eller fleksible."

I test, superkondensatoren kunne oplades til mere end 3 volt, hvilket er gavnligt for at opnå en høj energitæthed, eller tillade mere energi at blive lagret i et givet volumen. Superkondensatorens øvrige specifikationer – en specifik kapacitans på 13,15 F/g og en specifik energi på 5,54 Wh/kg – minder meget om værdierne for kommercielle superkondensatorer. Plus, dens fleksibilitet gør det muligt at bøje den for let at passe ind i små rum, hvilket kunne gøre det nyttigt til bærbar elektronik såvel som HEV'er.

Den nye superkondensator største ulempe er dens høje modstand, hvilket resulterer i en lav samlet effekttæthed og derfor en langsom genopladningshastighed. Forskerne mener, at årsagen til den høje modstand skyldes papir-nanorør-elektroderne, som har en højere modstand end metalelektroder. Imidlertid, de forudsiger, at belægning af bomuldspapiret med en nanorøropløsning med højere tæthed kan reducere modstanden, og de planlægger at arbejde mere med dette spørgsmål i fremtiden.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.