Ny designer carbon booster batteriets ydeevne

Forskere fra Stanford University har skabt et nyt kulstofmateriale, der markant øger ydeevnen af ​​energilagringsteknologier. Deres resultater er vist på forsiden af ​​tidsskriftet ACS Central Science .

"Vi har udviklet en 'designer carbon', der er både alsidig og kontrollerbar, " sagde Zhenan Bao, seniorforfatteren til undersøgelsen og professor i kemiteknik ved Stanford. "Vores undersøgelse viser, at dette materiale har en exceptionel energilagringskapacitet, muliggør hidtil uset ydeevne i lithium-svovl-batterier og superkondensatorer."

Ifølge Bao, det nye designer-carbon repræsenterer en dramatisk forbedring i forhold til konventionelt aktivt kul, et billigt materiale, der er meget udbredt i produkter lige fra vandfiltre og luftfjernere til energilagringsenheder.

"Meget billigt aktivt kul er lavet af kokosnøddeskaller, " sagde Bao. "For at aktivere kulstoffet, fabrikanter brænder kokosnødden ved høje temperaturer og behandler den derefter kemisk."

Aktiveringsprocessen skaber huller i nanostørrelse, eller porer, som øger overfladearealet af kulstoffet, giver det mulighed for at katalysere flere kemiske reaktioner og lagre flere elektriske ladninger.

Men aktivt kul har alvorlige ulemper, sagde Bao. For eksempel, der er ringe sammenkobling mellem porerne, hvilket begrænser deres evne til at transportere elektricitet.

"Med aktivt kul, der er ingen måde at kontrollere poreforbindelser på, " sagde Bao. "Også, masser af urenheder fra kokosnøddeskallerne og andre rå udgangsmaterialer bliver båret ind i kulstoffet. Som køleskabsdeodorant, konventionelt aktivt kul er fint, men det giver ikke høj nok ydeevne til elektroniske enheder og energilagringsapplikationer."

3-D netværk

I stedet for at bruge kokosnøddeskaller, Bao og hendes kolleger udviklede en ny måde at syntetisere kulstof af høj kvalitet ved hjælp af billige - og uforurenede - kemikalier og polymerer.

Processen begynder med at udføre hydrogel, en vandbaseret polymer med en svampet tekstur, der ligner bløde kontaktlinser.

"Hydrogelpolymerer danner en indbyrdes forbundet, tredimensionel ramme, der er ideel til at lede elektricitet, " sagde Bao. "Denne ramme indeholder også organiske molekyler og funktionelle atomer, såsom nitrogen, som giver os mulighed for at tune kulstoffets elektroniske egenskaber."

Til studiet, Stanford-teamet brugte en mild karboniserings- og aktiveringsproces til at omdanne de polymere organiske rammer til nanometertykke plader af kulstof.

"Kulstofpladerne danner et 3D-netværk, der har god poreforbindelse og høj elektronisk ledningsevne, " sagde kandidatstuderende John To, en medforfatter af undersøgelsen. "Vi tilføjede også kaliumhydroxid for kemisk at aktivere kulstofpladerne og øge deres overfladeareal."

Resultatet:designer carbon, der kan finjusteres til en række forskellige anvendelser.

"Vi kalder det designerkulstof, fordi vi kan kontrollere dets kemiske sammensætning, porestørrelse og overfladeareal blot ved at ændre typen af ​​polymerer og organiske linkere, vi bruger, eller ved at justere mængden af ​​varme, vi anvender under fremstillingsprocessen, " At sagde.

For eksempel, hæve behandlingstemperaturen fra 750 grader Fahrenheit (400 grader Celsius) til 1, 650 F (900 C) resulterede i en 10-fold stigning i porevolumen.

Efterfølgende forarbejdning producerede kulstofmateriale med et rekordstort overfladeareal på 4, 073 kvadratmeter per gram - det svarer til tre amerikanske fodboldbaner pakket ind i en ounce kulstof. Det maksimale overfladeareal opnået med konventionelt aktivt kul er omkring 3, 000 kvadratmeter pr gram.

"Højt overfladeareal er afgørende for mange applikationer, inklusive elektrokatalyse, oplagring af energi og opsamling af kuldioxidemissioner fra fabrikker og kraftværker, " sagde Bao.

Superkondensatorer

For at se, hvordan det nye materiale fungerede under virkelige forhold, Stanford-teamet fremstillede kulstofbelagte elektroder og installerede dem i lithium-svovlbatterier og superkondensatorer.

"Superkondensatorer er energilagringsenheder, der er meget brugt i transport og elektronik på grund af deres ultrahurtige opladnings- og afladningsevne, " sagde postdoc Zheng Chen, en medhovedforfatter. "For superkondensatorer, det ideelle kulstofmateriale har et stort overfladeareal til opbevaring af elektriske ladninger, høj ledningsevne til transport af elektroner og en passende porearkitektur, der muliggør hurtig bevægelse af ioner fra elektrolytopløsningen til kulstofoverfladen."

I forsøget en strøm blev påført superkondensatorer udstyret med designer-carbon elektroder.

Resultaterne var dramatiske. Elektrisk ledningsevne forbedredes tre gange sammenlignet med superkondensatorelektroder lavet af konventionelt aktivt kul.

"Vi fandt også ud af, at vores designer-carbon forbedrede strømforsyningshastigheden og elektrodernes stabilitet, " tilføjede Bao.

Batterier

Der blev også udført test på lithium-svovl-batterier, en lovende teknologi med en alvorlig fejl:Når lithium og svovl reagerer, de producerer molekyler af lithiumpolysulfid, som kan lække fra elektroden ind i elektrolytten og få batteriet til at svigte.

Stanford-holdet opdagede, at elektroder lavet med designerkulstof kan fange disse irriterende polysulfider og forbedre batteriets ydeevne.

"Vi kan nemt designe elektroder med meget små porer, der tillader lithium-ioner at diffundere gennem kulstoffet, men forhindrer polysulfiderne i at udvaske, " sagde Bao. "Vores designer-carbon er enkel at lave, relativt billig og opfylder alle de kritiske krav til højtydende elektroder."