Kraftfuldt grafenhybridmateriale til højeffektive superkondensatorer

Et team, der arbejder med Roland Fischer, Professor i uorganisk og metal-organisk kemi ved det tekniske universitet i München (TUM) har udviklet en højeffektiv superkondensator. Grundlaget for energilagringsenheden er en roman, kraftfuldt og også bæredygtigt grafenhybridmateriale, der har sammenlignelige ydelsesdata til aktuelt brugte batterier.

Som regel, energilagring er forbundet med batterier og akkumulatorer, der leverer energi til elektroniske enheder. Imidlertid, i bærbare computere, kameraer, mobiltelefoner eller køretøjer, såkaldte superkondensatorer installeres i stigende grad i disse dage.

I modsætning til batterier kan de hurtigt lagre store mængder energi og slukke den lige så hurtigt. Hvis, for eksempel, et tog bremser, når det kommer ind på stationen, superkondensatorer lagrer energien og giver den igen, når toget meget hurtigt har brug for meget energi, mens det starter op.

Imidlertid, et problem med superkondensatorer til dato var deres mangel på energitæthed. Mens lithiumakkumulatorer når en energitæthed på op til 265 kilowatttimer (KW/h), superkondensatorer har indtil videre kun leveret en tiendedel af dem.

Bæredygtigt materiale giver høj ydeevne

Holdet, der arbejder med TUM-kemikeren Roland Fischer, har nu udviklet en roman, kraftfuldt såvel som bæredygtigt grafenhybridmateriale til superkondensatorer. Den fungerer som den positive elektrode i energilagringsenheden. Forskerne kombinerer det med en dokumenteret negativ elektrode baseret på titan og kulstof.

Den nye energilagringsenhed opnår ikke kun en energitæthed på op til 73 Wh/kg, hvilket omtrent svarer til energitætheden af ​​et nikkelmetalhydridbatteri, men yder også meget bedre end de fleste andre superkondensatorer ved en effekttæthed på 16 kW/kg. Hemmeligheden bag den nye superkondensator er kombinationen af ​​forskellige materialer - derfor, kemikere omtaler superkondensatoren som 'asymmetrisk'.

Hybride materialer:Naturen er forbilledet

Forskerne satser på en ny strategi for at overvinde ydeevnegrænserne for standardmaterialer - de bruger hybridmaterialer. "Naturen er fuld af meget komplekse, evolutionært optimerede hybridmaterialer - knogler og tænder er eksempler. Deres mekaniske egenskaber, såsom hårdhed og elasticitet blev optimeret gennem kombinationen af ​​forskellige materialer af naturen, siger Roland Fischer.

Den abstrakte idé om at kombinere basismaterialer blev overført til superkondensatorer af forskerholdet. Som grundlag, de brugte den nye positive elektrode på lagerenheden med kemisk modificeret grafen og kombinerede den med en nanostruktureret metalstruktur, en såkaldt MOF.

Kraftig og stabil

Afgørende for præstationen af ​​grafenhybrider er på den ene side en stor specifik overflade og kontrollerbare porestørrelser og på den anden side en høj elektrisk ledningsevne. "Materialets højtydende egenskaber er baseret på kombinationen af ​​de mikroporøse MOF'er med den ledende grafensyre, " forklarer førsteforfatter Jayaramulu Kolleboyina, en tidligere gæsteforsker, der arbejder sammen med Roland Fischer.

En stor overflade er vigtig for gode superkondensatorer. Det giver mulighed for opsamling af henholdsvis et stort antal ladningsbærere i materialet - dette er det grundlæggende princip for lagring af elektrisk energi.

Gennem dygtigt materialedesign, forskerne opnåede den bedrift at forbinde grafensyren med MOF'erne. De resulterende hybride MOF'er har en meget stor indre overflade på op til 900 kvadratmeter pr. gram og er yderst effektive som positive elektroder i en superkondensator.

Lang stabilitet

Imidlertid, det er ikke den eneste fordel ved det nye materiale. For at opnå en kemisk stabil hybrid, man har brug for stærke kemiske bindinger mellem komponenterne. Bindingerne er tilsyneladende de samme som mellem aminosyrer i proteiner, ifølge Fischer:"Faktisk, vi har forbundet grafensyren med en MOF-aminosyre, som skaber en type peptidbinding."

Den stabile forbindelse mellem de nanostrukturerede komponenter har store fordele med hensyn til langsigtet stabilitet:Jo mere stabile bindinger, jo flere opladnings- og afladningscyklusser er mulige uden væsentlig forringelse af ydeevnen.

Til sammenligning:En klassisk lithiumakkumulator har en levetid på omkring 5, 000 cyklusser. Den nye celle udviklet af TUM-forskerne bevarer tæt på 90 procent kapacitet selv efter 10, 000 cyklusser.

Internationalt netværk af eksperter

Fischer understreger, hvor vigtigt det uhæmmede internationale samarbejde, forskerne selv kontrollerede, var, når det kom til udviklingen af ​​den nye superkondensator. Derfor, Jayaramulu Kolleboyina byggede holdet. Han var en gæsteforsker fra Indien inviteret af Alexander von Humboldt Foundation og som nu er leder af kemiafdelingen på det nyoprettede Indian Institute of Technology i Jammu.

"Vores team netværkede også med elektrokemi og batteriforskningseksperter i Barcelona samt grafenderivateksperter fra Tjekkiet, " rapporterer Fischer. "Yderligere, vi har integrerede partnere fra USA og Australien. denne vidunderlige, internationalt samarbejde lover meget for fremtiden."