Een update van recent gerapporteerd onderzoek naar poreuze koolstofvezels laat zien hoe dit materiaal kan worden gebruikt in een industriële omgeving, het markeren van een belangrijke stap van de theorie naar de toepassing.

Guoliang "Greg" Liu, een assistent-professor scheikunde aan het College of Science en lid van het Macromolecules Innovation Institute, heeft gewerkt aan de ontwikkeling van koolstofvezels met uniforme poreuze structuren. In een recent verschenen tijdschriftartikel in wetenschappelijke vooruitgang , Liu legde uit hoe zijn laboratorium blokcopolymeren gebruikte om koolstofvezels te maken met mesoporiën die overal gelijkmatig verspreid waren, vergelijkbaar met een spons.

Slechts een week later, Liu heeft weer een ander artikel gepubliceerd, deze keer binnen Natuurcommunicatie . Het nieuwe artikel laat zien hoe Liu's poreuze koolstofvezels een hoge energiedichtheid en hoge elektronen/ionen laadsnelheden mogelijk maken. die typisch wederzijds exclusief zijn in elektrochemische energieopslagapparaten.

"Dit is de volgende stap die relevant zal zijn voor de industrie, " zei Liu. "We willen een industrieel vriendelijk proces maken. Nu moet de industrie serieus kijken naar koolstofvezel, niet alleen als een structureel materiaal, maar ook als een energieopslagplatform voor auto's, vliegtuigen, en anderen."

Introductie van pseudocapacitieve materialen

Koolstofvezels worden al veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie vanwege hun hoge prestaties op verschillende gebieden, inclusief mechanische sterkte en gewicht. Liu's langetermijnvisie is om buitenkant van auto's te bouwen van poreuze koolstofvezels die energie kunnen opslaan in de poriën.

Maar koolstof alleen is niet voldoende. Hoewel het een structureel eersteklas materiaal is, koolstof heeft geen voldoende hoge energiedichtheid om supercondensatoren te creëren voor veeleisende toepassingen.

De huidige industriestandaard koppelt koolstof aan zogenaamde pseudocapacitieve materialen, die de mogelijkheid ontsluiten om een ​​grote hoeveelheid energie op te slaan, maar een ander probleem van langzame laad-ontlaadsnelheid veroorzaken.

Een veelgebruikt pseudocapacitief materiaal is mangaanoxide (MnO2) vanwege de lage kosten en redelijke prestaties. Om MnO2 op koolstofvezel of een ander materiaal te laden, Liu weekt de vezels in een oplossing van KMnO4-precursor. De voorloper reageert dan met koolstof, etst een dun laagje koolstof weg, en verankert op de rest van de koolstof, het creëren van een dunne laag van ongeveer 2 nm dik.

Maar de industrie staat voor een uitdaging met MnO2. Te weinig MnO2 betekent dat de opslagcapaciteit te laag is. Te veel MnO2 zorgt voor een te dikke laag die elektrisch isolerend is. En erger, het vertraagt ​​het transport van ionen. Beide dragen bij aan lage laad-ontlaadsnelheden.

"We willen koolstof koppelen aan pseudocapacitieve materialen omdat ze samen een veel hogere energiedichtheid hebben dan pure koolstof. Nu is de vraag hoe het probleem van elektronen- en ionengeleiding op te lossen, ' zei Liu.

Echter, Liu heeft ontdekt dat zijn poreuze koolstofvezels deze impasse kunnen doorbreken. Tests in zijn lab toonden het beste van twee werelden:hoge belasting van MnO2 en aanhoudend hoge laad- en ontlaadsnelheden.

Liu's laboratorium bewees dat ze tot 7 mg/cm2 MnO2 konden laden voordat de prestaties daalden. Dat is het dubbele of bijna het drievoudige van de hoeveelheid MnO2 die de industrie momenteel kan gebruiken.

"We hebben 84 procent van de theoretische limiet van dit materiaal bereikt bij een massabelading van 7 mg/cm2 " zei Liu. "Als je 7 mg/cm2 andere materialen laadt, dit bereik je niet."

Toepassingen op korte termijn

Met het tempo dat Liu's lab resultaten publiceert, auto's aangedreven door buitenkant kunnen hier eerder zijn dan we denken, maar Liu remt dat idee af.

"In een langetermijnvisie we zouden benzine kunnen vervangen door alleen elektrische auto's met supercondensatoren, " zei Liu. "Op dit moment, het minste wat we zouden kunnen doen, is dit gebruiken als onderdeel voor energieopslag in auto's."

Liu zei dat een toepassing op kortere termijn het gebruik van koolstofvezelonderdelen zou kunnen zijn om in korte tijd veel energie te leveren om auto's sneller te laten accelereren.

Maar Liu kijkt ook verder dan de auto-industrie naar andere transporttoepassingen.

"Als je wilt dat een drone producten voor Amazon levert, je wilt dat de drone zoveel mogelijk gewicht kan dragen, en je wilt dat de drone zo licht mogelijk is, "Zei Liu. "Op koolstofvezel gebaseerde drones kunnen beide taken uitvoeren. De koolstofvezels zijn sterke structurele materialen voor het dragen van de goederen, en het zijn materialen voor energieopslag om energie te leveren voor transport."

Het onderzoek naar dit materiaal versnelt in Liu's lab, en hij zei dat hij nog veel meer ideeën heeft om te testen.

"Wat ik geloof is dat poreuze koolstofvezels een platformmateriaal zijn, " zei Liu. "De eerste twee kranten, we hebben ons gericht op energieopslag voor voertuigen. Maar wij geloven dat dit materiaal meer kan dan dat. Hopelijk kunnen we binnenkort meer verhalen vertellen."