(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben geholpen de structuur op nanoschaal van een nieuwe vorm van koolstof bloot te leggen, bijdragen aan een verklaring waarom dit nieuwe materiaal werkt als een superabsorberende spons als het gaat om het opnemen van elektrische lading. Het materiaal, die onlangs werd opgericht aan de Universiteit van Texas - Austin, kan worden opgenomen in "supercondensator" energieopslagapparaten met een opmerkelijk hoge opslagcapaciteit met behoud van andere aantrekkelijke eigenschappen zoals supersnelle energieafgifte, snelle oplaadtijd, en een levensduur van minimaal 10, 000 laad-/ontlaadcycli.

"Die eigenschappen maken deze nieuwe vorm van koolstof bijzonder aantrekkelijk om te voldoen aan de opslagbehoeften van elektrische energie die ook een snelle afgifte van energie vereisen - bijvoorbeeld, in elektrische voertuigen of om de beschikbaarheid van stroom uit intermitterende energiebronnen te verminderen, zoals wind- en zonne-energie, " zei Brookhaven materiaalwetenschapper Eric Stach, een co-auteur van een paper waarin het materiaal wordt beschreven dat is gepubliceerd in Wetenschap op 12 mei, 2011.

Supercondensatoren zijn vergelijkbaar met batterijen in die zin dat beide elektrische lading opslaan. Batterijen doen dit door chemische reacties tussen metalen elektroden en een vloeibaar elektrolyt. Omdat deze chemicaliën tijd nodig hebben om te reageren, energie wordt relatief langzaam opgeslagen en vrijgegeven. Maar batterijen kunnen veel energie opslaan en vrijgeven over een vrij lange tijd.

supercondensatoren, anderzijds, lading opslaan in de vorm van ionen op het oppervlak van de elektroden, vergelijkbaar met statische elektriciteit, in plaats van te vertrouwen op chemische reacties. Het opladen van de elektroden zorgt ervoor dat ionen in het elektrolyt scheiden, of polariseren, ook - dus lading wordt opgeslagen op het grensvlak tussen de elektroden en de elektrolyt. Poriën in de elektrode vergroten het oppervlak waarover de elektrolyt kan stromen en op elkaar inwerken, waardoor de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen toeneemt.

Maar omdat de meeste supercondensatoren niet zo veel lading kunnen bevatten als batterijen, het gebruik ervan is beperkt tot toepassingen waar snel kleinere hoeveelheden energie nodig zijn, of waar een lange levenscyclus essentieel is, zoals in mobiele elektronische apparaten.

Het nieuwe materiaal dat de onderzoekers van de UT-Austin hebben ontwikkeld, kan daar verandering in brengen. Hiervan gemaakte supercondensatoren hebben een energieopslagcapaciteit, of energiedichtheid, die de energiedichtheid van loodzuurbatterijen nadert, met behoud van de hoge vermogensdichtheid - dat wil zeggen, snelle energieafgifte - dat is kenmerkend voor supercondensatoren.

"Dit nieuwe materiaal combineert de eigenschappen van beide elektrische opslagsystemen, "Zei Rodney Ruoff, teamleider van de Universiteit van Texas. "We waren nogal verbijsterd door zijn uitzonderlijke prestaties."

Het UT-Austin-team had zich ten doel gesteld een meer poreuze vorm van koolstof te creëren door kaliumhydroxide te gebruiken om chemisch gemodificeerde grafeenbloedplaatjes te herstructureren - een vorm van koolstof waarbij de atomen zijn gerangschikt in tegelachtige ringen die plat liggen om een ​​enkel atoom dik te vormen bladen. Dergelijke "chemische activering" is eerder gebruikt om verschillende vormen van "actieve kool, " die poriën hebben die het oppervlak vergroten en worden gebruikt in filters en andere toepassingen, inclusief supercondensatoren.

Maar omdat deze nieuwe vorm van koolstof zo superieur was aan andere die in supercondensatoren werden gebruikt, de onderzoekers van de UT-Austin wisten dat ze de structuur ervan op nanoschaal moesten karakteriseren.

Ruoff had een hypothese gevormd dat het materiaal bestond uit een continu driedimensionaal poreus netwerk met wanden van één atoom dik, met een significante fractie zijnde "negatieve kromming koolstof, " vergelijkbaar met inside-out buckyballs. Hij wendde zich tot Stach in Brookhaven voor hulp bij verdere structurele karakterisering om deze hypothese te verifiëren of te weerleggen.

Stach en Brookhaven-collega Dong Su voerden een breed scala aan onderzoeken uit in het Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), de Nationale Synchrotron-lichtbron (NSLS), en bij het National Center for Electron Microscopy in het Lawrence Berkeley National Laboratory, alle drie de faciliteiten ondersteund door het DOE Office of Science. "In de DOE-laboratoria, we hebben microscopen met de hoogste resolutie ter wereld, dus we gingen echt voluit in het karakteriseren van de atomaire structuur, ' zei Stack.

"Onze studies onthulden dat de hypothese van Ruoff in feite correct was, en dat de driedimensionale structuur op nanoschaal van het materiaal bestaat uit een netwerk van sterk gekromde, wanden van één atoom dik die kleine poriën vormen met een breedte van 1 tot 5 nanometer, of miljardsten van een meter."

De studie omvat gedetailleerde afbeeldingen van de fijne poriënstructuur en de koolstofwanden zelf, evenals afbeeldingen die laten zien hoe deze details in het grote geheel passen. "De gegevens van NSLS waren cruciaal om aan te tonen dat onze zeer lokale karakterisering representatief was voor het algehele materiaal, ' zei Stack.

"We werken nog steeds samen met Ruoff en zijn team om een ​​volledige beschrijving van de materiële structuur samen te stellen. We voegen ook computationele studies toe om ons te helpen begrijpen hoe dit driedimensionale netwerk zich vormt, zodat we de poriegroottes potentieel kunnen aanpassen om optimaal te zijn voor specifieke toepassingen, inclusief capacitieve opslag, katalyse, en brandstofcellen, ' zei Stack.

In de tussentijd, de wetenschappers zeggen dat de verwerkingstechnieken die worden gebruikt om de nieuwe vorm van koolstof te creëren, gemakkelijk schaalbaar zijn voor industriële productie. "Dit materiaal - dat zo gemakkelijk wordt vervaardigd uit een van de meest voorkomende elementen in het universum - zal een breed scala aan effecten hebben op onderzoek en technologie op het gebied van zowel energieopslag als energieconversie, ' zei Ruof.