Høj ydeevne, billige ultracapacitorer bygget med grafen og carbon nanorør

Ved at kombinere kræfterne fra to enkeltatom-tykke kulstofstrukturer, forskere ved George Washington Universitys Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory har skabt en ny ultrakondensator, der både er høj ydeevne og lav pris.

Enheden, beskrevet i Journal of Applied Physics , udnytter synergien, der bringes ved at blande grafenflager med enkeltvæggede carbon-nanorør, to kulstof nanostrukturer med komplementære egenskaber.

Ultrakapacitorer er supplerede energilagringsenheder, der indeholder store mængder energi og også hurtigt kan frigive den energi i en strømstigning. Ved at kombinere batteriers egenskaber med høj energitæthed med konventionelle kondensatorers egenskaber med høj effekttæthed, ultrakondensatorer kan øge ydeevnen for elektriske køretøjer, håndholdt elektronik, lydsystemer og mere.

Enkeltvæggede kulstof nanorør og grafen har begge unikke og fremragende elektroniske, termisk, og mekaniske egenskaber, der gør dem attraktive materialer til at designe nye ultrakondensatorer, sagde Jian Li, første forfatter på papiret. Mange grupper havde undersøgt brugen af ​​de to materialer hver for sig, men få havde set på at kombinere dem, han sagde.

"I vores laboratorium udviklede vi en fremgangsmåde, hvorigennem vi kan opnå både enkeltvæggede kulnanorør og grafen, så vi kom på ideen om at drage fordel af de to lovende carbon nanomaterialer sammen, "tilføjede Michael Keidar, en professor ved Institut for Mekanisk og Rumfartsteknik på School of Engineering and Applied Science på GW, og direktør for Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory.

Forskerne syntetiserede grafenflagerne og nanorørene ved at fordampe en hul grafitstav fyldt med metallisk katalysatorpulver med en elektrisk lysbue. De blandede derefter de to nanostrukturer sammen for at danne en blæk, som de rullede på papir, en fælles separator for nuværende kommercielle kondensatorer.

Kombinationsenhedens specifikke kapacitans, en måling af ydelsen af ​​en kondensator pr. vægtenhed, var tre gange højere end den specifikke kapacitans af en enhed lavet af kulstof nanorør alene.

Fordelen ved hybridstrukturen, Li forklarede, er, at grafenflagerne giver et højt overfladeareal og god ledningsevne i flyet, mens carbon nanorørene forbinder alle strukturer for at danne et ensartet netværk.

Mens andre typer ultrakondensatorer også har opnået den høje specifikke kapacitans af grafen/nanorør-hybriden, siger forskerne, den største fordel ved kombinationsmetoden er dens lave omkostninger, da teamet har udviklet en enkel måde at fremstille store mængder af den ønskelige blanding af carbon nanostrukturer.

Hybrid-ultrakondensatoren er også lille og let, en fordel, da elektroniske enheder bliver stadig mindre.