(Phys.org) -Onderzoekers van het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA hebben de weg geëffend voor een keerpunt in mobiele energieopslag door een speciaal grafeenmateriaal te gebruiken om de energiedichtheid van elektrochemische condensatoren aanzienlijk te verhogen, door ze op één lijn te brengen met loodzuurbatterijen.

Het materiaal, een gatenachtig grafeenraamwerk genoemd, heeft een driedimensionale geperforeerde structuur gekenmerkt door kleine gaatjes; het verhoogt niet alleen de energiedichtheid (de hoeveelheid energie die is opgeslagen en klaar voor gebruik), maar zorgt ervoor dat elektrochemische condensatoren hun hoge vermogensdichtheid kunnen behouden (de hoeveelheid vermogen per eenheid van massa of volume), volgens Xiangfeng Duan, een UCLA-hoogleraar chemie en biochemie die het onderzoek leidde.

Elektrochemische condensatoren, ook bekend als EC's of supercondensatoren, zijn een belangrijke technologie voor de toekomst van energieopslag en mobiele stroomvoorzieningen, maar ze zijn beperkt door een lage energiedichtheid. In vergelijking met traditionele batterijen, EC's hebben doorgaans een superieure vermogensdichtheid en levensduur - het aantal volledige laad-ontlaadcycli die een energiebron kan ondersteunen voordat deze daalt tot 80 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit en als "versleten" wordt beschouwd. Maar ze hebben een energiedichtheid van ten minste één orde van grootte lager dan die van batterijen.

Omdat het hoofdbestanddeel van een EC het elektrodemateriaal is, die verantwoordelijk is voor de algemene prestaties van de EC, recent onderzoek heeft zich gericht op efficiënte nieuwe materialen die de energiedichtheid kunnen verhogen zonder in te boeten aan vermogensdichtheid of levensduur. Een hoogwaardige EC-elektrode moet een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, een hoog voor ionen toegankelijk oppervlak, een hoge ionische transportsnelheid en een hoge elektrochemische stabiliteit.

De huidige ultramoderne EC's gebruiken over het algemeen poreuze actieve-koolelektroden met een energiedichtheid die veel lager is dan die van loodzuurbatterijen:4 tot 5 wattuur per kilogram versus 25 tot 35 wattuur per kilogram (5 tot 7 wattuur per liter versus 50 tot 90 wattuur per liter).

In hun studie hebben online gepubliceerd op 8 augustus in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de CNSI-onderzoekers onder leiding van Duan gebruikten een sterk onderling verbonden 3D-gatachtig grafeenraamwerk als elektrodemateriaal om een ​​EC te creëren met ongekende prestaties. De elektrode vertoont superieure elektrische geleidbaarheid, uitzonderlijke mechanische flexibiliteit en unieke hiërarchische porositeit, zorgt voor een efficiënt transport van elektronen en ionen en maakt de hoogste gravimetrische energiedichtheden van 127 watt-uur per kilogram en een volumetrische energiedichtheid van 90 watt-uur per liter mogelijk.

Verder, het team heeft aangetoond dat een volledig verpakte EC een ongeëvenaarde energiedichtheid heeft van 35 wattuur per kilogram (49 wattuur per liter), ongeveer vijf tot tien keer hoger dan de huidige commerciële supercondensatoren en vergelijkbaar met zuurbatterijen.

"De holle graheene EC overbrugt de kloof in energiedichtheid tussen traditionele condensatoren en batterijen, maar met een veel hogere vermogensdichtheid, "Zei Duan. "Het creëert opwindende mogelijkheden voor mobiele voedingen voor vele toepassingen, van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen."