(PhysOrg.com) -- Elektrochemische condensatoren (EC's), ook bekend als supercondensatoren of ultracondensatoren, verschillen van gewone condensatoren die u in uw tv of computer zou aantreffen doordat ze aanzienlijk grotere hoeveelheden ladingen opslaan. Ze hebben de aandacht getrokken als apparaten voor energieopslag, omdat ze sneller opladen en ontladen dan batterijen, toch worden ze nog steeds beperkt door lage energiedichtheden, slechts een fractie van de energiedichtheid van batterijen. Een EC die de vermogensprestaties van condensatoren combineert met de hoge energiedichtheid van batterijen, zou een aanzienlijke vooruitgang betekenen in de technologie voor energieopslag. Dit vereist nieuwe elektroden die niet alleen een hoge geleidbaarheid behouden, maar ook een groter en beter toegankelijk oppervlak bieden dan conventionele EC's die actieve koolstofelektroden gebruiken.

Nu hebben onderzoekers van UCLA een standaard LightScribe dvd-optisch station gebruikt om dergelijke elektroden te produceren. De elektroden zijn samengesteld uit een uitgebreid netwerk van grafeen - een één atoom dikke laag grafietkoolstof - dat uitstekende mechanische en elektrische eigenschappen vertoont, evenals een uitzonderlijk groot oppervlak.

UCLA-onderzoekers van de afdeling Scheikunde en Biochemie, het Departement Materiaalwetenschappen en Engineering, en het California NanoSystems Institute demonstreren krachtige op grafeen gebaseerde elektrochemische condensatoren die uitstekende elektrochemische eigenschappen behouden onder hoge mechanische belasting. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Het proces is gebaseerd op het coaten van een dvd-schijf met een film van grafietoxide die vervolgens met een laser wordt behandeld in een LightScribe dvd-station om grafeenelektroden te produceren. Typisch, de prestaties van apparaten voor energieopslag worden geëvalueerd door twee hoofdcijfers, de energiedichtheid en de vermogensdichtheid. Stel dat we het apparaat gebruiken om een ​​elektrische auto te laten rijden - de energiedichtheid vertelt ons hoe ver de auto kan gaan met één lading, terwijl de vermogensdichtheid ons vertelt hoe snel de auto kan gaan. Hier, apparaten gemaakt met Laser Scribed Graphene (LSG) elektroden vertonen ultrahoge energiedichtheidswaarden in verschillende elektrolyten terwijl de hoge vermogensdichtheid en uitstekende cyclusstabiliteit van EC's behouden blijven. Bovendien, deze EC's behouden uitstekende elektrochemische eigenschappen onder hoge mechanische belasting en zijn dus veelbelovend voor een hoog vermogen, flexibele elektronica.

"Onze studie toont aan dat onze nieuwe op grafeen gebaseerde supercondensatoren evenveel lading opslaan als conventionele batterijen, maar kan honderd tot duizend keer sneller worden opgeladen en ontladen, " zei Richard B. Kaner, hoogleraar scheikunde &materiaalkunde en techniek.

"Hier, we presenteren een strategie voor de productie van hoogwaardige op grafeen gebaseerde EC's door middel van een eenvoudige solid-state benadering die het opnieuw stapelen van grafeenvellen voorkomt, " zei Maher F. El-Kady, de hoofdauteur van de studie en een afgestudeerde student in het laboratorium van Kaner.

Het onderzoeksteam heeft LSG-elektroden gefabriceerd die niet de problemen hebben van actieve koolelektroden die tot nu toe de prestaties van commerciële EC's hebben beperkt. Eerst, De LightScribe-laser zorgt voor de gelijktijdige reductie en afschilfering van grafietoxide en produceert een open netwerk van LSG met een aanzienlijk groter en beter toegankelijk oppervlak. Dit resulteert in een aanzienlijke ladingsopslagcapaciteit voor de LSG-supercondensatoren. De open netwerkstructuur van de elektroden helpt het diffusiepad van elektrolytionen te minimaliseren, wat cruciaal is voor het opladen van het apparaat. Dit kan worden verklaard door de gemakkelijk toegankelijke platte grafeenvellen, terwijl het grootste deel van het oppervlak van actieve kool zich in zeer kleine poriën bevindt die de diffusie van ionen beperken. Dit betekent dat LSG-supercondensatoren het vermogen hebben om in korte tijd ultrahoog vermogen te leveren, terwijl actieve kool dat niet kan.

Aanvullend, LSG-elektroden zijn mechanisch robuust en vertonen een hoge geleidbaarheid (> 1700 S/m) vergeleken met actieve kool (10-100 S/m). Dit betekent dat LSG-elektroden direct kunnen worden gebruikt als supercondensatorelektroden zonder dat er bindmiddelen of stroomcollectoren nodig zijn, zoals het geval is bij conventionele actieve kool-EC's. Verder, deze eigenschappen zorgen ervoor dat LSG zowel als actief materiaal als stroomafnemer in de EG kan fungeren. De combinatie van beide functies in een enkele laag leidt tot een vereenvoudigde architectuur en maakt LSG-supercondensatoren kosteneffectieve apparaten.

In de handel verkrijgbare EC's bestaan ​​uit een separator tussen twee elektroden met vloeibare elektrolyt die ofwel spiraalvormig is gewikkeld en verpakt in een cilindrische container of in een knoopcel is gestapeld. Helaas, deze apparaatarchitecturen hebben niet alleen last van mogelijke schadelijke lekkage van elektrolyten, maar hun ontwerp maakt het moeilijk om ze te gebruiken voor praktische flexibele elektronica.

Het onderzoeksteam verving de vloeibare elektrolyt door een polymeer gegeleerde elektrolyt die ook dienst doet als afscheider, de dikte en het gewicht van het apparaat verder verminderen en het fabricageproces vereenvoudigen omdat er geen speciaal verpakkingsmateriaal voor nodig is.

Om onder reële omstandigheden het potentieel van deze solid-state LSG-EC voor flexibele opslag te evalueren, het onderzoeksteam plaatste een apparaat onder constante mechanische stress om de prestaties te analyseren. Interessant genoeg, dit had bijna geen effect op de prestaties van het apparaat.

"We schrijven de hoge prestaties en duurzaamheid toe aan de hoge mechanische flexibiliteit van de elektroden, samen met de interpenetrerende netwerkstructuur tussen de LSG-elektroden en de gegeleerde elektrolyt, " legt Kaner uit. "Het elektrolyt stolt tijdens de montage van het apparaat en werkt als lijm die de componenten van het apparaat bij elkaar houdt."

De methode verbetert de mechanische integriteit en verlengt de levensduur van het apparaat, zelfs wanneer het onder extreme omstandigheden wordt getest.

Aangezien deze opmerkelijke prestatie nog moet worden gerealiseerd in commerciële apparaten, deze LSG-supercondensatoren zouden de weg kunnen banen naar ideale energieopslagsystemen voor de volgende generatie flexibele, draagbare elektronica.