Udforsker superkondensatorer for at forbedre deres struktur

Uanset hvor skræmmende deres navn, superkondensatorer er en del af vores dagligdag. Tag busser for eksempel:superkondensatorer oplades under bremsning, og levere strøm til at åbne dørene, når køretøjet standser. Alligevel var den molekylære organisation og funktion af disse ellagringsenheder ikke tidligere blevet observeret. For første gang, forskere fra CNRS og Université d'Orléans har udforsket de molekylære omlejringer, der er på spil i kommercielt tilgængelige superkondensatorer, mens de er i drift. Teknikken udviklet af forskerne giver et nyt værktøj til at optimere og forbedre morgendagens superkondensatorer. Resultaterne offentliggøres online på Naturmaterialer ' hjemmeside den 17. februar 2013.

Superkondensatorer er enheder til lagring af elektricitet, der er ret forskellige fra batterier. I modsætning til batterier, superkondensatorer oplades meget hurtigere (normalt i sekunder), og udsættes ikke for hurtigt slid på grund af opladning/afladning. På den anden side, i tilsvarende størrelse, og selvom de tilbyder større kraft, de kan ikke lagre så meget elektrisk energi som batterier (kulstofbaserede superkondensatorer leverer en energitæthed på omkring 5 Wh/kg sammenlignet med omkring 100 Wh/kg for lithium-ion-batterier). Superkondensatorer bruges til genvinding af bremseenergi i adskillige køretøjer (biler, busser, tog, osv.) og for at åbne nødudgangene på Airbus A380.

En superkondensator lagrer elektricitet gennem interaktionen mellem nanoporøse kulstofelektroder og ioner, som bærer positive og negative ladninger, og bevæger sig rundt i en væske kendt som en elektrolyt. Ved opladning, anionerne (negativt ladede ioner) erstattes af kationer (positivt ladede ioner) i den negative elektrode og omvendt. Jo større denne udveksling og jo større det tilgængelige kulstofoverfladeareal, jo større kapacitet er superkondensatoren.

Ved hjælp af kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, forskere dykkede dybere ned i dette fænomen og var i stand til, for første gang, at kvantificere andelen, hvor ladningsudveksling finder sted i to superkondensatorer ved hjælp af kommercielt tilgængelige kulstof. Ved at sammenligne to nanoporøse kulstofmaterialer, forskerne var i stand til at vise, at superkondensatoren, der indeholdt kulstoffet med den mest uordnede struktur, havde større kapacitans og forbedret højspændingstolerance. Dette kan skyldes bedre elektronisk ladningsfordeling ved kontakt med elektrolytmolekylerne.