Mechanische ingenieurs van de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science en vier andere instellingen hebben een superefficiënte en duurzame elektrode voor supercondensatoren ontworpen. Het ontwerp van het apparaat is geïnspireerd op de structuur en functie van bladeren op boomtakken, en het is meer dan 10 keer efficiënter dan andere ontwerpen.

Het elektrodeontwerp biedt dezelfde hoeveelheid energieopslag, en levert zoveel kracht, als soortgelijke elektroden, ondanks dat het veel kleiner en lichter is. In experimenten produceerde het 30 procent betere capaciteit - het vermogen van een apparaat om een ​​elektrische lading op te slaan - voor zijn massa vergeleken met de best beschikbare elektrode gemaakt van vergelijkbare koolstofmaterialen. en 30 keer betere capaciteit per gebied. Het produceerde ook 10 keer meer vermogen dan andere ontwerpen en behield 95 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit na meer dan 10, 000 laadcycli.

Hun werk wordt beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Supercondensatoren zijn oplaadbare energieopslagapparaten die meer vermogen leveren voor hun formaat dan batterijen van vergelijkbare grootte. Ze laden ook snel op, en ze gaan honderden tot duizenden oplaadcycli mee. Vandaag, ze worden gebruikt in de regeneratieve remsystemen van hybride auto's en voor andere toepassingen. Vooruitgang in de technologie van supercondensatoren zou het gebruik ervan wijdverbreid kunnen maken als aanvulling op, of zelfs vervanging voor, de meer bekende batterijen die consumenten dagelijks kopen voor huishoudelijke elektronica.

Ingenieurs weten dat supercondensatoren krachtiger kunnen worden gemaakt dan de huidige modellen, maar één uitdaging was het produceren van efficiëntere en duurzamere elektroden. Elektroden trekken ionen aan, die energie opslaan, naar het oppervlak van de supercondensator, waar die energie beschikbaar komt voor gebruik. Ionen in supercondensatoren worden opgeslagen in een elektrolytoplossing. Het vermogen van een elektrode om snel opgeslagen vermogen te leveren, wordt grotendeels bepaald door het aantal ionen dat het met die oplossing kan uitwisselen:hoe meer ionen het kan uitwisselen, hoe sneller het vermogen kan leveren.

Wetende dat, de onderzoekers ontwierpen hun elektrode om het oppervlak te maximaliseren, het creëren van de grootst mogelijke ruimte voor het om elektronen aan te trekken. Ze lieten zich inspireren door de structuur van bomen, die door het oppervlak van hun bladeren in staat zijn grote hoeveelheden koolstofdioxide op te nemen voor fotosynthese.

"We vinden vaak inspiratie in de natuur, en planten hebben de beste manier ontdekt om chemicaliën zoals koolstofdioxide uit hun omgeving op te nemen, " zei Tim Visser, de hoofdonderzoeker van de studie en een UCLA-hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek. "In dit geval, we gebruikten dat idee, maar op een veel, veel kleinere schaal - ongeveer een miljoenste van de grootte, in feite."

Om het tak-en-bladontwerp te maken, de onderzoekers gebruikten twee nanoschaalstructuren bestaande uit koolstofatomen. De "takken" zijn reeksen van holle, cilindrische koolstofnanobuizen, ongeveer 20 tot 30 nanometer in diameter; en de "bladeren" zijn bloembladachtige structuren met scherpe randen, ongeveer 100 nanometer breed, die zijn gemaakt van grafeen - ultradunne vellen koolstof. De bladeren worden vervolgens gerangschikt op de omtrek van de nanobuisstelen. De bladachtige grafeenblaadjes geven de elektrode ook stabiliteit.

De ingenieurs vormden vervolgens de structuren in tunnelvormige arrays, waardoor de ionen die de opgeslagen energie transporteren er doorheen stromen met veel minder weerstand tussen de elektrolyt en het oppervlak om energie te leveren dan wanneer de elektrode-oppervlakken plat waren.

De elektrode presteert ook goed in zure omstandigheden en hoge temperaturen, beide omgevingen waarin supercondensatoren kunnen worden gebruikt.