(PhysOrg.com) -- Het heeft alle schijn van een doorbraak in batterijtechnologie, behalve dat het geen batterij is. Onderzoekers bij Nanotek Instruments, Inc., en haar dochteronderneming Angstron Materials, Inc., in Dayton, Ohio, hebben een nieuw paradigma ontwikkeld voor het ontwerpen van apparaten voor energieopslag dat is gebaseerd op het snel pendelen van grote aantallen lithiumionen tussen elektroden met enorme grafeenoppervlakken. Het energieopslagapparaat zou zeer nuttig kunnen zijn voor elektrische voertuigen, waar het de oplaadtijd zou kunnen verminderen van uren tot minder dan een minuut. Andere toepassingen kunnen opslag van hernieuwbare energie zijn (bijvoorbeeld opslag van zonne- en windenergie) en smart grids.

De onderzoekers noemen de nieuwe apparaten "lithium-ion-uitwisselende cellen met grafeen-oppervlak, " of eenvoudiger, "oppervlakte-gemedieerde cellen" (SMC's). Hoewel de apparaten momenteel niet-geoptimaliseerde materialen en configuraties gebruiken, ze kunnen nu al beter presteren dan Li-ion-batterijen en supercondensatoren. De nieuwe apparaten kunnen een vermogensdichtheid van 100 kW/kgcel leveren, die 100 keer hoger is dan die van commerciële Li-ion-batterijen en 10 keer hoger dan die van supercondensatoren. Hoe hoger de vermogensdichtheid, hoe sneller de energieoverdracht (wat resulteert in een snellere oplaadtijd). In aanvulling, de nieuwe cellen kunnen een energiedichtheid van 160 Wh/kgcel opslaan, die vergelijkbaar is met commerciële Li-ion-batterijen en 30 keer hoger is dan die van conventionele supercondensatoren. Hoe groter de energiedichtheid, hoe meer energie het apparaat kan opslaan voor hetzelfde volume (wat resulteert in een groter rijbereik voor elektrische voertuigen).

“Gezien hetzelfde gewicht van het apparaat, de huidige SMC en Li-ion batterij kunnen een elektrisch voertuig (EV) een vergelijkbaar rijbereik bieden, Bor Z. Jang, mede-oprichter van Nanotek Instruments en Angstron Materials, vertelde PhysOrg.com . “Onze SMC's, net als de huidige Li-ion batterijen, kan verder worden verbeterd in termen van energiedichtheid [en dus bereik]. Echter, in principe, de SMC kan in minuten worden opgeladen (mogelijk minder dan een minuut), in tegenstelling tot uren voor Li-ion-batterijen die in huidige EV's worden gebruikt."

Jang en zijn co-auteurs bij Nanotek Instruments en Angstron Materials hebben de studie over de volgende generatie energieopslagapparaten gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters . Beide bedrijven zijn gespecialiseerd in de commercialisering van nanomaterialen, met Angstron als 's werelds grootste producent van nano-grafeen-bloedplaatjes (NGP's).

Zoals de onderzoekers in hun onderzoek uitleggen, batterijen en supercondensatoren hebben elk hun respectievelijke sterke en zwakke punten als het gaat om energieopslag. Terwijl Li-ion-batterijen een veel hogere energiedichtheid bieden (120-150 Wh/kg _cel ) dan supercondensatoren (5 Wh/kg _cel ), de batterijen leveren een veel lagere vermogensdichtheid (1 kW/kg _cel vergeleken met 10 kW/kg _cel ). Veel onderzoeksgroepen hebben zich ingespannen om de vermogensdichtheid van Li-ion-batterijen te vergroten en de energiedichtheid van supercondensatoren te vergroten, maar beide gebieden hebben nog steeds grote uitdagingen. Door een fundamenteel nieuw raamwerk te bieden voor apparaten voor energieopslag, de SMC's zouden onderzoekers in staat kunnen stellen deze uitdagingen te omzeilen.

"De ontwikkeling van deze nieuwe klasse van energieopslagapparaten overbrugt de prestatiekloof tussen een Li-ionbatterij en een supercondensator, ’ zei Jang. “Belangrijker, dit fundamenteel nieuwe raamwerk voor het bouwen van apparaten voor energieopslag zou onderzoekers in staat kunnen stellen zowel de hoge energiedichtheid als de hoge vermogensdichtheid te bereiken zonder het een op te offeren om het ander te bereiken.”

De sleutel tot de prestaties van de SMC's is een kathode en anode die zeer grote grafeenoppervlakken bevatten. Bij het fabriceren van de cel, de onderzoekers zetten lithiummetaal (in de vorm van deeltjes of folie) op de anode. Tijdens de eerste ontlaadcyclus, het lithium is geïoniseerd, wat resulteert in een veel groter aantal lithiumionen dan in Li-ion-batterijen. Naarmate de batterij wordt gebruikt, de ionen migreren door een vloeibaar elektrolyt naar de kathode, waar de ionen de poriën binnendringen en het grote grafeenoppervlak in de kathode bereiken. Tijdens het opladen, een enorme stroom lithiumionen migreert snel van de kathode naar de anode. De grote oppervlakten van de elektroden maken het snel pendelen van grote aantallen ionen tussen elektroden mogelijk, resulterend in hun hoge vermogens- en energiedichtheid.

Zoals de onderzoekers uitleggen, de uitwisseling van lithiumionen tussen de oppervlakken van de poreuze elektroden (en niet in het grootste deel van de elektrode, zoals bij batterijen) maakt het tijdrovende proces van intercalatie volledig overbodig. In dit proces, de lithiumionen moeten in de elektroden worden gestoken, die de oplaadtijd van batterijen domineert.

Hoewel de onderzoekers in deze studie verschillende soorten grafeen (geoxideerd, en gereduceerd enkellaags en meerlaags) van een verscheidenheid aan verschillende soorten grafiet, verdere analyse van de materialen en configuratie is nodig om het apparaat te optimaliseren. Voor een ding, de onderzoekers zijn van plan om de levensduur van de cellen verder te onderzoeken. Tot dusver, ze ontdekten dat de apparaten 95% capaciteit konden behouden na 1 000 cycli, en zelfs na 2, 000 cycli toonden geen bewijs van dendrietvorming. De onderzoekers zijn ook van plan om de relatieve rollen van verschillende lithiumopslagmechanismen op de prestaties van het apparaat te onderzoeken.

“We verwachten geen grote hindernis voor de commercialisering van de SMC-technologie, ’ zei Jang. “Hoewel grafeen momenteel tegen een hogere prijs wordt verkocht, Angstron-materialen, Inc., is actief bezig met het opschalen van de productiecapaciteit van grafeen. Verwacht wordt dat de productiekosten van grafeen de komende 1-3 jaar drastisch zullen dalen.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.