Ervan uitgaande dat je geeky genoeg bent om elk mobiel apparaat op de markt te openen - een telefoon, tablet of laptop – het meest voor de hand liggende onderdeel van het apparaat is de batterij:deze neemt over het algemeen tot (zo niet meer dan) 60% van de ruimte in beslag.

Het is teleurstellend om te denken dat de gadgets die je bij je hebt in feite pakjes energieopslagapparaten zijn. Bedenk eens hoeveel draagbaarder die apparaten zouden zijn als hun batterijen kleiner en krachtiger waren.

Dergelijke mogelijkheden zijn misschien niet ver weg.

Elektrochemische condensatoren, als een opkomend type geavanceerd energieopslagapparaat, hebben eigenschappen die beter zijn dan hun conventionele batterij-tegenhangers, zoals snel opladen en een bijna onbeperkte levensduur.

Vandaag, in Wetenschap , mijn collega's en ik laten zien hoe de energieopslagcapaciteit van een elektrochemische condensator kan worden verdubbeld door een enkele laag koolstofatomen te manipuleren die bekend staat als grafeen.

Elektrochemische condensator evolutie

Hoewel we versteld moeten staan ​​van de mate waarin we de rekenkracht hebben vergroot in de verkleinde ruimte (de eerste computers vulden hele kamers), moet de efficiëntie van een energieopslagapparaat - de hoeveelheid opgeslagen energie per volume-eenheid - inhalen.

Het idee om deze efficiëntie te verhogen is om actiever, energie-opslaande materialen in dezelfde hoeveelheid ruimte. Hoe simpel dat ook klinkt, het is heel moeilijk om te doen.

Een veelgebruikt materiaal dat wordt gebruikt in apparaten voor energieopslag is poreuze koolstof. Poreuze koolstof wordt geproduceerd door een basismateriaal te doorzeven, zoals kokosnoot, met kleine poriën, het vergroten van het oppervlak van het basismateriaal.

De poriën zijn belangrijk voor capacitieve energieopslag zoals in algemene termen, meer poriën betekent groter oppervlak voor fysieke adsorptie, wat op zijn beurt leidt tot een hogere opslagcapaciteit.

Traditionele poreuze koolstof, eenmaal gemaakt, heeft een vast volume met vaste poriën die willekeurig van binnen en van buiten zijn verspreid.

Het is niet echt mogelijk om de structuur aan te passen en meer poreuze koolstof in dezelfde hoeveelheid ruimte vast te houden zonder een fractie van de poriën te verfrommelen die vooral cruciaal zijn voor capacitieve energieopslag.

Introductie van grafeen

Grafeen - een enkellaags vel koolstofatomen - werd voor het eerst geïsoleerd in 2004 en sindsdien grote inspanningen zijn besteed aan het verkennen van de fysica.

Het is het dunste materiaal dat de mens kent, maar toch taaier dan diamant. Het kanaliseert elektronen vrijwel zonder weerstand, waardoor het het meest geleidende materiaal is.

Grafeen is toevallig ook de fundamentele bouwsteen voor poreuze koolstof, dus beginnen met grafeen geeft ons ultieme controle over de poreuze koolstofstructuur.

Om actieve materialen zoveel mogelijk in een bepaalde hoeveelheid ruimte te verpakken, het is niet moeilijk om erachter te komen dat de meest efficiënte manier is om bladachtig grafeen face-to-face te verpakken, zoals weergegeven in het onderstaande schema.

Maar er ontstaan ​​problemen wanneer twee stukken grafeen te dicht op elkaar worden gepakt. Zoals magneten, wanneer ze dichterbij dan een kritische afstand worden geplaatst, grafeenplaten zullen onomkeerbaar aan elkaar kleven, het verkleinen van hun oppervlakte, en als een resultaat, hun capaciteit voor energieopslag verliezen.

Daarom, er is een goede plek waar de pakking van grafeen, niet te los en niet te compact, is precies goed:maximale belasting zonder afbreuk te doen aan het vermogen om energie op te slaan.

Voeg gewoon vloeistof toe

Het vinden van die goede plek vereist fijnafstemming van de structuur op nanoschaal. Als je denkt aan een hard materiaal dat niet snel vervormt, dit lijkt een uitdaging - maar het is normaal dat een vloeistof elke vorm aanneemt waarin deze zich bevindt.

Hierdoor geïnspireerd, we gebruikten vloeistoffen als bemiddelaar tussen grafeenvellen en slaagden erin om de verpakking van grafeen in films op een bijna continue manier aan te passen, ons wat we "zacht" grafeen noemen.

Elektrochemische condensatoren op basis van de resulterende films kunnen volumetrische energiedichtheden verkrijgen van bijna 60 wattuur per liter, die in de buurt komt van die van loodzuuraccu's in auto's.

Ons werk, als een voorbeeld van de vele "zachte" eigenschappen van grafeen, zal onderzoekers uit zowel grafeen als zachte materie aanmoedigen om nieuwe "zachte" concepten te ontwikkelen om de belangrijkste wetenschappelijke en technische uitdagingen met betrekking tot schaalbare synthese aan te pakken, verwerking en assemblage van aan grafeen gerelateerde materialen.

Wij zijn van mening dat de implementatie van deze technologie een revolutie teweeg zal brengen in veel energieafdelingen, zoals snelladende persoonlijke elektronica en betaalbare, elektrische voertuigen voor lange afstanden.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).