(Phys.org)—Terwijl de meeste van de huidige elektrische voertuigen afhankelijk zijn van batterijen om energie op te slaan, supercondensatoren hebben aanzienlijke verbeteringen ondergaan waardoor ze serieuze concurrenten van batterijen zijn geworden. Batterijen hebben traditioneel de overhand qua capaciteit, aangezien de lage capaciteiten van supercondensatoren een zeer korte actieradius betekenen voor elektrische voertuigen. Het grootste voordeel van supercondensatoren ligt in hun veel hogere vermogensdichtheid in vergelijking met batterijen, waardoor een snellere oplaadtijd en de mogelijkheid om snel te ontladen voor snelle acceleratie mogelijk zijn.

Een nieuwe studie door een groep onderzoekers van de Universiteit van Alberta en de National Research Council van Canada, zowel in Alberta, Canada, heeft aangetoond dat supercondensatoren een groot potentieel hebben voor voortdurende verbeteringen.

De onderzoekers hebben een nieuw materiaal gesynthetiseerd dat ze sponsachtig grafeen noemen vanwege de 3D-macroporeuze structuur en hebben aangetoond dat het kan worden gebruikt om supercondensatorelektroden te maken. Supercondensatoren met deze nieuwe elektroden hebben een redelijke energiedichtheid bij gebruik bij lage vermogensdichtheden, maar hun grootste aantrekkingskracht is wanneer ze werken bij ultrahoge vermogensdichtheden van ongeveer 48, 000 W/kg, waar ze een aantrekkelijke energiedichtheid van 7,1 Wh/kg kunnen leveren.

Aanvankelijk, een energiedichtheid van 7,1 Wh/kg klinkt misschien niet opmerkelijk in vergelijking met de energiedichtheid van de beste Li-ion-batterijen, zoals de recordbrekende 400 Wh/kg van Envia System die eerder dit jaar werd aangekondigd. Echter, om de oplaadtijd van Li-ion-accu's voor elektrische voertuigen te verkorten van uren naar minuten, batterijen moeten een hogere vermogensdichtheid hebben dan hun huidige beste waarden van ongeveer 10, 000 W/kg. Dus de 48, 000 W / kg vermogensdichtheid van de hier gerapporteerde supercondensatoren, gekoppeld aan een energiedichtheid van 7,1 Wh/kg, toont aan dat supercondensatoren batterijen enige concurrentie kunnen bieden.

"Supercondensatoren en batterijen zijn heel verschillende elektrochemische energieopslagapparaten, " co-auteur Zhi Li, van zowel de Universiteit van Alberta als de National Research Council of Canada, vertelde Phys.org . "Hier is een voorbeeld dat vrij vaak wordt gebruikt om hun verschillen aan te tonen. Als je een elektrisch voertuig bestuurt, u wilt een batterij met een hoge energiedichtheid om het voertuig vele kilometers te laten rijden en u zou waarschijnlijk ook de voorkeur geven aan een supercondensator met een hoge vermogensdichtheid om de auto sneller te laten starten/accelereren. Supercondensatoren zijn ontworpen om te werken met een veel hogere vermogensdichtheid (snel opladen/ontladen). 7,1 Wh/kg is verre van aantrekkelijk voor een batterij. Echter, deze energie wordt geleverd in minder dan 2 seconden. Ik geloof dat geen van de bestaande batterijen daar klaar voor is."

Zoals de onderzoekers in hun onderzoek uitleggen, ze synthetiseerden het sponsachtige grafeen uit meerwandige koolstofnanobuizen en kobaltftalocyanine (PC) -moleculen die hechten aan nucleatieplaatsen in het "skelet" van de nanobuis. Deze materialen werden gedurende 20 minuten in de magnetron verwarmd om grafiet op te leveren, en vervolgens onmiddellijk geblust met ijswater om het grafiet om te zetten in grafeenvlokken. Scanning-elektronenmicroscoopbeelden onthulden een zeer uniforme sponsachtige morfologie in de koolstofstructuur.

Bij experimenten, de onderzoekers toonden aan dat elektroden gemaakt van het sponsachtige grafeen stabiel zijn in twee veel voorkomende elektrolyten (ionische vloeistof en waterige) die worden gebruikt in supercondensatoren. Hoewel veel supercondensatorelektroden alleen goed presteren bij temperaturen van 60 ° C (140 ° F) of hoger, de sponsachtige grafeenelektroden werken heel goed bij kamertemperatuur. De onderzoekers schrijven zowel de goede werking bij kamertemperatuur als het vermogen tot snelle elektrolytoverdracht (en de resulterende hoge vermogensdichtheid) toe aan de sponsachtige macroporeuze structuur van de elektrode.

De sponsachtige grafeenelektroden vertonen ook een uitstekende levensduur. Na het doorlopen van 10, 000 laad-ontlaadcycli, de elektroden behielden 90% van hun capaciteit in de ionische vloeibare elektrolyt en 98% in de waterige elektrolyt.

"In dit werk, we kweken grafeen tussen CNT's en verkrijgen een nano-architectuur die in staat is om energie te leveren met een superhoge vermogensdichtheid, " zei Li. "Echter, de belangrijkste bijdrage van het werk is dat we een methode hebben gedemonstreerd die geschikt is om grafeen te maken in de beperkte ruimte van andere nanomaterialen. pc's, de uitgangsmaterialen die we gebruikten, zijn kleine moleculen kleiner dan 2 nm en passen in de kleine ruimte van andere nanomaterialen. Na carbonisatie en afschrikken, pc's zijn ter plaatse omgezet in grafeen. In aanvulling, deze omzetting is een zelfgekatalyseerde reactie die een grote flexibiliteit biedt om grafeencompositing te maken met andere nanomaterialen. Zoals u weet, de grafeencomposieten hebben een veel bredere toepassing dan grafeen zelf."

Algemeen, de resultaten bouwen voort op eerder onderzoek dat aantoont dat 3D-grafeenstructuren kunnen dienen als een ideale structuur voor supercondensatorelektroden door snelle elektrolytoverdracht door de poreuze kanalen mogelijk te maken. De onderzoekers hopen dat verdere verbeteringen in de toekomst supercondensatoren aantrekkelijk zullen maken voor elektrische voertuigen, stroom back-up systemen, en andere krachtige toepassingen.

"We zoeken een manier om het grafeen dunner te maken, wat de nano-architecturen meer energiedichtheid zou geven, " zei Li. "De huidige dikte van het grafeen is ongeveer 5-6 lagen. Ons doel is om het minder dan 2 lagen te maken. Dat zal de energiedichtheid van de materialen verdubbelen of verdrievoudigen zonder de vermogensdichtheid op te offeren."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.