Ny grafenramme bygger bro mellem traditionelle kondensatorer, batterier

(Phys.org) – Forskere ved California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA har sat scenen for et vandskel inden for mobil energilagring ved at bruge et specielt grafenmateriale til markant at øge energitætheden af ​​elektrokemiske kondensatorer, at sætte dem på niveau med blybatterier.

Materialet, kaldet en hullet grafenramme, har en tredimensionel, perforeret struktur karakteriseret ved bittesmå huller; det øger ikke kun energitætheden (mængden af ​​energi, der er lagret og klar til brug), men tillader elektrokemiske kondensatorer at opretholde deres høje effekttæthed (mængden af ​​strøm pr. enhed af masse eller volumen), ifølge Xiangfeng Duan, en UCLA-professor i kemi og biokemi, der ledede forskningen.

Elektrokemiske kondensatorer, også kendt som EC'er eller superkondensatorer, er en vigtig teknologi for fremtidens energilagring og mobile strømforsyninger, men de har været begrænset af lav energitæthed. Sammenlignet med traditionelle batterier, EC'er har typisk overlegen effekttæthed og cykluslevetid - antallet af komplette opladnings-afladningscyklusser, som en energikilde kan understøtte, før den falder til 80 procent af dens oprindelige kapacitet og betragtes som "udslidt". Men de har haft energitæthed på mindst én størrelsesorden under batterier.

Fordi hovedkomponenten i en EC er dens elektrodemateriale, som er ansvarlig for EU's samlede præstation, nyere forskning har fokuseret på effektive nye materialer, der er i stand til at øge energitætheden uden at ofre effekttæthed eller cykluslevetid. En højtydende EC-elektrode skal have høj elektrisk ledningsevne, et højt ion-tilgængeligt overfladeareal, en høj ionisk transporthastighed og høj elektrokemisk stabilitet.

Aktuelle avancerede EC'er bruger generelt porøse aktiverede kulelektroder med energitætheder, der er meget lavere end blybatterier - 4 til 5 watttimer pr. kilogram mod 25 til 35 watttimer pr. kilogram (5 til 7 watttimer pr. liter vs. 50 til 90 watt-timer pr. liter).

I deres undersøgelse, offentliggjort online 8. august i tidsskriftet Naturkommunikation , CNSI-forskerne ledet af Duan brugte et stærkt sammenkoblet 3D-holey graphene-rammeværk som elektrodemateriale til at skabe et EC med hidtil uset ydeevne. Elektroden demonstrerer overlegen elektrisk ledningsevne, exceptionel mekanisk fleksibilitet og unik hierarkisk porøsitet, sikrer effektiv transport af elektroner og ioner og muliggør de højeste gravimetriske energitætheder på 127 watt-timer pr. kilogram og volumetrisk energitæthed på 90 watt-timer pr. liter.

Desuden, holdet har vist, at et fuldt pakket EC udviser uovertrufne energitætheder på 35 watt-timer pr. kilogram (49 watt-timer pr. liter) - omkring fem til 10 gange højere end nuværende kommercielle superkondensatorer og på niveau med syrebatterier.

"Holey Grahene EC bygger bro over energitæthedsgabet mellem traditionelle kondensatorer og batterier, dog med langt højere effekttæthed, "Duan sagde. "Det skaber spændende muligheder for mobile strømforsyninger til mange applikationer fra mobiltelefoner til elektriske køretøjer."