Ladede huller i grafen øger energilagringskapaciteten

Ingeniører ved University of California, San Diego har opdaget en metode til at øge mængden af ​​elektrisk ladning, der kan lagres i grafen, en todimensionel form for kulstof. Forskningen, offentliggjort for nylig online i tidsskriftet Nano bogstaver , kan give en bedre forståelse af, hvordan man kan forbedre energilagringsevnen for kondensatorer til potentielle anvendelser i biler, vindturbine, og solenergi.

Kondensatorer oplades og aflades meget hurtigt, og er mere nyttige til hurtige store udbrud af energi, såsom i kamerablink og kraftværker. Deres evne til hurtigt at oplade og aflade er en fordel i forhold til batteriernes lange opladningstid. Imidlertid, problemet med kondensatorer er, at de lagrer mindre energi end batterier.

Hvordan kan en kondensators energilagring forbedres? En tilgang fra forskere i laboratoriet til professor i maskinteknik Prabhakar Bandaru ved Jacobs School of Engineering ved UC San Diego var at indføre mere ladning i en kondensatorelektrode ved hjælp af grafen som model for deres test. Princippet er, at øget ladning fører til øget kapacitans, hvilket oversætter til øget energilagring.

Hvordan det er lavet

Lav en perfekt carbon nanorørstruktur - en uden defekter, som er huller svarende til manglende carbonatomer - er næsten umulig. I stedet for at undgå defekter, forskerne i Bandarus laboratorium fandt ud af en praktisk måde at bruge dem på i stedet.

"Jeg var motiveret fra det synspunkt, at ladede defekter kan være nyttige til energilagring, "sagde Bandaru.

Teamet brugte en metode kaldet argon-ionbaseret plasmabehandling, hvor grafenprøver bombarderes med positivt ladede argonioner. Under denne proces, kulstofatomer slås ud af grafenlagene og efterlader huller, der indeholder positive ladninger - det er de ladede defekter. At eksponere grafenprøverne for argonplasma øgede materialernes kapacitans tre gange.

"Det var spændende at vise, at vi kan indføre ekstra kapacitans ved at indføre ladede defekter, og at vi kunne kontrollere, hvilken slags ladet defekt vi kunne introducere i et materiale, "sagde Rajaram Narayanan, en kandidatstuderende i professor Bandarus forskningsgruppe og første forfatter af undersøgelsen.

Ved hjælp af Raman -spektroskopi og elektrokemiske målinger, teamet var i stand til at karakterisere de typer defekter, som argonplasmabehandling indførte i grafengitterne. Resultaterne afslørede dannelsen af ​​udvidede defekter kendt som "lænestol" og "zigzag" defekter, som navngives baseret på konfigurationerne af de manglende carbonatomer.

Derudover elektrokemiske undersøgelser hjalp teamet med at opdage en ny længdeskala, der måler afstanden mellem ladninger. "Denne nye længdeskala vil være vigtig for elektriske applikationer, da det kan danne grundlag for, hvor lille vi kan lave elektriske apparater, "sagde Bandaru.