Door de krachten van twee koolstofstructuren van één atoom te combineren, onderzoekers van het Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory van de George Washington University hebben een nieuwe ultracondensator ontwikkeld die zowel hoge prestaties levert als lage kosten.

Het apparaat, beschreven in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , profiteert van de synergie die wordt veroorzaakt door grafeenvlokken te mengen met enkelwandige koolstofnanobuizen, twee koolstofnanostructuren met complementaire eigenschappen.

Ultracondensatoren zijn opgevoerde apparaten voor energieopslag die grote hoeveelheden energie bevatten en die energie ook snel kunnen vrijgeven in een stroomstoot. Door de hoge energiedichtheidseigenschappen van batterijen te combineren met de hoge vermogensdichtheidseigenschappen van conventionele condensatoren, ultracondensatoren kunnen de prestaties van elektrische voertuigen verhogen, handbediende elektronica, audiosystemen en meer.

Enkelwandige koolstofnanobuizen en grafeen hebben beide een unieke en uitstekende elektronische, thermisch, en mechanische eigenschappen die ze aantrekkelijke materialen maken voor het ontwerpen van nieuwe ultracondensatoren, zei Jian Li, eerste auteur op papier. Veel groepen hadden het gebruik van de twee materialen afzonderlijk onderzocht, maar weinigen hadden ernaar gekeken om ze te combineren, hij zei.

"In ons laboratorium hebben we een aanpak ontwikkeld waarmee we zowel enkelwandige koolstofnanobuizen als grafeen kunnen verkrijgen, dus kwamen we op het idee om samen te profiteren van de twee veelbelovende koolstofnanomaterialen, " voegde Michael Keidar toe, een professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de School of Engineering and Applied Science bij GW, en directeur van het Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory.

De onderzoekers synthetiseerden de grafeenvlokken en nanobuisjes door een holle grafietstaaf gevuld met metallisch katalysatorpoeder te verdampen met een elektrische boog. Vervolgens vermengden ze de twee nanostructuren met elkaar om een ​​inkt te vormen die ze op papier rolden, een gemeenschappelijke separator voor huidige commerciële condensatoren.

De specifieke capaciteit van het combinatieapparaat, een meting van de prestatie van een condensator per gewichtseenheid, was drie keer hoger dan de specifieke capaciteit van een apparaat gemaakt van alleen koolstofnanobuisjes.

Het voordeel van de hybride structuur, Li legde uit, is dat de grafeenvlokken een groot oppervlak en een goede geleidbaarheid in het vlak bieden, terwijl de koolstofnanobuisjes alle structuren verbinden om een ​​uniform netwerk te vormen.

Terwijl andere soorten ultracondensatoren ook de hoge specifieke capaciteit van de grafeen/nanobuis-hybride hebben bereikt, zeggen de onderzoekers, het belangrijkste voordeel van de combinatiebenadering zijn de lage kosten, omdat het team een ​​eenvoudige manier heeft ontwikkeld om grote hoeveelheden van de gewenste mix van koolstofnanostructuren te vervaardigen.

De hybride ultracapacitor is ook klein en licht, een voordeel aangezien elektronische apparaten steeds kleiner worden.