Kunne hamp nanoplader vælte grafen for at lave den ideelle superkondensator?

Mens hamp gør comeback i USA efter et årtier langt forbud mod dens dyrkning, Forskere rapporterer, at fibre fra planten kan pakke lige så meget energi og kraft som grafen, længe udråbt som modelmateriale til superkondensatorer. De præsenterer deres forskning, som en canadisk nystartet virksomhed arbejder på at opskalere, ved det 248. nationale møde og udstilling af American Chemical Society (ACS).

David Mitlin, Ph.D., forklarer, at superkondensatorer er energilagringsenheder, der har et enormt potentiale til at transformere den måde, fremtidens elektronik drives på. I modsætning til nutidens genopladelige batterier, som suger energi over flere timer, superkondensatorer kan oplade og aflade inden for få sekunder. Men de kan normalt ikke lagre nær så meget energi som batterier, en vigtig egenskab kendt som energitæthed. En tilgang, forskere tager for at øge superkondensatorers energitæthed, er at designe bedre elektroder. Mitlins team har fundet ud af, hvordan man laver dem af visse hampfibre - og de kan holde lige så meget energi som den nuværende topkonkurrent:grafen.

"Vores enheds elektrokemiske ydeevne er på niveau med eller bedre end grafen-baserede enheder, Mitlin siger. "Den vigtigste fordel er, at vores elektroder er lavet af bioaffald ved hjælp af en simpel proces, og derfor, er meget billigere end grafen."

Kapløbet mod den ideelle superkondensator har i høj grad fokuseret på grafen - en stærk, let materiale lavet af atomtykke lag af kulstof, som når de er stablet, kan laves til elektroder. Forskere undersøger, hvordan de kan drage fordel af grafens unikke egenskaber til at bygge bedre solceller, vandfiltreringssystemer, touch-skærm teknologi, samt batterier og superkondensatorer. Problemet er, at det er dyrt.

Mitlins gruppe besluttede at se, om de kunne lave grafenlignende kulstof fra hampbastfibre. Fibrene kommer fra plantens indre bark og kasseres ofte fra Canadas hurtigt voksende industrier, der bruger hamp til tøj, byggematerialer og andre produkter. USA kan snart blive endnu en leverandør af bast. Det tillader nu begrænset dyrkning af hamp, som i modsætning til sin nære fætter, fremkalder ikke højdepunkter.

Forskere havde længe haft mistanke om, at hampbasten var mere værdifuld - det var bare et spørgsmål om at finde den rigtige måde at behandle materialet på.

"Vi har stort set fundet ud af den hemmelige sauce af det, " siger Mitlin, som nu er ved Clarkson University i New York. "Tricket er virkelig at forstå strukturen af ​​et startmateriale og at justere, hvordan det behandles for at give dig, hvad der med rette ville blive kaldt fantastiske egenskaber."

Hans hold fandt ud af, at hvis de opvarmede fibrene i 24 timer ved lidt over 350 grader Fahrenheit, og derefter sprængte det resulterende materiale med mere intens varme, det ville eksfoliere til kulstof nanoark.

Mitlins team byggede deres superkondensatorer ved at bruge hamp-afledte kulstoffer som elektroder og en ionisk væske som elektrolyt. Fuldt samlet, enhederne klarede sig langt bedre end kommercielle superkondensatorer i både energitæthed og det temperaturområde, de kan arbejde over. De hamp-baserede enheder gav energitætheder så høje som 12 watt-timer pr. kilogram, to til tre gange højere end kommercielle modparter. De fungerer også over et imponerende temperaturområde, fra frysning til mere end 200 grader Fahrenheit.

"Vi er forbi proof-of-principle-stadiet for den fuldt funktionelle superkondensator, " siger han. "Nu gør vi klar til småskalaproduktion."