Ingenieurs aan de Universiteit van Californië, San Diego heeft een methode ontdekt om de hoeveelheid elektrische lading die kan worden opgeslagen in grafeen te vergroten, een tweedimensionale vorm van koolstof. Het onderzoek, onlangs online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , kan een beter begrip opleveren van hoe het vermogen van condensatoren om energie op te slaan kan worden verbeterd voor mogelijke toepassingen in auto's, windturbines, en zonne-energie.

Condensatoren laden en ontladen zeer snel, en zijn nuttiger voor snelle grote uitbarstingen van energie, zoals in cameraflitsen en energiecentrales. Hun vermogen om snel op te laden en te ontladen is een voordeel ten opzichte van de lange oplaadtijd van batterijen. Echter, het probleem met condensatoren is dat ze minder energie opslaan dan batterijen.

Hoe kan de energieopslag van een condensator worden verbeterd? Een benadering van onderzoekers in het laboratorium van professor werktuigbouwkunde Prabhakar Bandaru aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego was om meer lading in een condensatorelektrode te introduceren met behulp van grafeen als modelmateriaal voor hun tests. Het principe is dat een verhoogde lading leidt tot een grotere capaciteit, wat zich vertaalt in meer energieopslag.

Hoe het gemaakt is

Een perfecte koolstofnanobuisstructuur maken - een zonder defecten, die gaten zijn die overeenkomen met ontbrekende koolstofatomen ― is bijna onmogelijk. In plaats van gebreken te vermijden, de onderzoekers in Bandaru's lab bedachten een praktische manier om ze in plaats daarvan te gebruiken.

"Ik was gemotiveerd vanuit het oogpunt dat geladen defecten nuttig kunnen zijn voor energieopslag, ' zei Bandaru.

Het team gebruikte een methode genaamd op argon-ionen gebaseerde plasmaverwerking, waarin grafeenmonsters worden gebombardeerd met positief geladen argonionen. Tijdens dit proces, koolstofatomen worden uit de grafeenlagen geslagen en laten gaten achter die positieve ladingen bevatten - dit zijn de geladen defecten. Het blootstellen van de grafeenmonsters aan argonplasma verhoogde de capaciteit van de materialen drievoudig.

"Het was spannend om te laten zien dat we extra capaciteit kunnen introduceren door geladen defecten te introduceren, en dat we konden bepalen welk soort geladen defect we in een materiaal konden introduceren, " zei Rajaram Narayanan, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van professor Bandaru en eerste auteur van de studie.

Met behulp van Raman-spectroscopie en elektrochemische metingen, het team was in staat om de soorten defecten te karakteriseren die argon-plasmaverwerking in de grafeenroosters introduceerde. De resultaten onthulden de vorming van uitgebreide defecten die bekend staan ​​als "fauteuil" en "zigzag" defecten, die zijn genoemd op basis van de configuraties van de ontbrekende koolstofatomen.

Aanvullend, elektrochemische studies hielpen het team bij het ontdekken van een nieuwe lengteschaal die de afstand tussen ladingen meet. "Deze nieuwe lengteschaal zal belangrijk zijn voor elektrische toepassingen, omdat het een basis kan bieden voor hoe klein we elektrische apparaten kunnen maken, ' zei Bandaru.