Chunky mobile enheder? Blødt grafen kan hjælpe dig med at reducere størrelsen

Forudsat at du er nørdet nok til at åbne enhver mobilenhed på markedet – en telefon, tablet eller bærbar - den mest åbenlyse komponent i enheden er batteriet:det bruger generelt op til (hvis ikke mere end) 60 % af pladsen.

Det er skuffende at tænke på, at de gadgets, du bærer, grundlæggende er pakker med energilagringsenheder. Tænk bare på, hvor meget mere bærbare disse enheder kunne være, hvis deres batterier var mindre og mere kraftfulde.

Sådanne muligheder er måske ikke langt væk.

Elektrokemiske kondensatorer, som en ny type avanceret energilagringsenhed, har egenskaber, der er bedre end deres konventionelle batterimodstykker, såsom hurtig opladning og næsten ubegrænset levetid.

I dag, i Videnskab , mine kolleger og jeg viser, hvordan energilagringskapaciteten af ​​en elektrokemisk kondensator kan fordobles ved at manipulere et enkelt lag af kulstofatomer kendt som grafen.

Elektrokemisk kondensator udvikling

Selvom vi burde være forbløffede over, hvor langt vi har øget computerkraften i reduceret plads (de første computere fyldte hele rum), skal effektiviteten af ​​en energilagringsenhed – mængden af ​​lagret energi pr. volumenhed – indhentes.

Ideen med at øge denne effektivitet er at pakke mere aktivt, energilagrende materialer på samme plads. Så simpelt det end lyder, det er meget svært at gøre.

Et almindeligt materiale, der bruges i energilagringsenheder, er porøst kulstof. Porøst kulstof fremstilles ved at pudse et grundmateriale, såsom kokosnøddeskal, med små porer, forøgelse af grundmaterialets overfladeareal.

Porerne er vigtige for kapacitiv energilagring som i generelle termer, flere porer betyder større overfladeareal til fysisk adsorption, hvilket igen fører til højere lagerkapacitet.

Traditionelt porøst kulstof, engang lavet, har et fast volumen med faste porer spredt tilfældigt inde og ude.

Det er ikke rigtigt muligt at omjustere strukturen og fastklemme mere porøst kulstof på den samme mængde plads uden at krølle en brøkdel af de porer, der er særligt afgørende for kapacitiv energilagring.

Introduktion til grafen

Grafen – et enkeltlagsark af kulstofatomer – blev først isoleret i 2004 og siden da, store anstrengelser er blevet afsat til at udforske dens fysik.

Det er det tyndeste materiale, som mennesket kender, dog hårdere end diamant. Det kanaliserer elektroner stort set uden modstand, gør det til det mest ledende materiale.

Grafen er tilfældigvis også den grundlæggende byggesten for porøst kulstof, så at starte med grafen giver os ultimativ kontrol over porøs kulstofstruktur.

For at pakke aktive materialer i en vis mængde plads så meget som muligt, det er ikke svært at finde ud af, at den mest effektive måde er at pakke arklignende grafen ansigt til ansigt, som vist i diagrammet nedenfor.

Men problemer starter, når to stykker grafen er pakket for tæt sammen. Ligesom magneter, når den placeres tættere på end en kritisk afstand, grafenplader vil irreversibelt klæbe til hinanden, formindske deres overfladeareal, og som et resultat, mister deres kapacitet til energilagring.

Derfor, der er et sødt sted, hvor pakningen af ​​grafen, hverken for løst eller for kompakt, er det helt rigtige:maksimal belastning uden at skade dens evne til at lagre energi.

Bare tilsæt væske

At finde det søde punkt kræver finstrukturjustering på nanoskala. Hvis du tænker på et hårdt materiale, der ikke let deformeres, det virker udfordrende – men det er naturligt, at en væske antager enhver form, den er indeholdt i.

Inspireret af dette, vi brugte væsker som formidler mellem grafenplader og formåede at justere pakningen af ​​grafen til film på en næsten kontinuerlig måde, giver os det, vi kalder "blødt" grafen.

Elektrokemiske kondensatorer baseret på de resulterende film kan opnå volumetriske energitætheder, der nærmer sig 60 watt-timer pr. som nærmer sig det med bly-syre-batterier, der findes i biler.

Vores arbejde, som et eksempel på de mange "bløde" egenskaber ved grafen, vil tilskynde forskere fra både grafen og blødt stof til at udvikle nye "bløde" koncepter for at løse de vigtigste videnskabelige og tekniske udfordringer i forbindelse med skalerbar syntese, forarbejdning og samling af grafen-relaterede materialer.

Vi tror på, at implementering af denne teknologi vil revolutionere mange energisektioner, såsom hurtigopladning af personlig elektronik såvel som overkommelig, langdistance elbiler.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).