Wetenschappers van Stanford University hebben een nieuw koolstofmateriaal ontwikkeld dat de prestaties van technologieën voor energieopslag aanzienlijk verbetert. Hun resultaten staan ​​op de omslag van het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap .

"We hebben een 'designer carbon' ontwikkeld die zowel veelzijdig als controleerbaar is, " zei Zhenan Bao, de senior auteur van de studie en een professor in chemische technologie aan Stanford. "Onze studie toont aan dat dit materiaal een uitzonderlijke energieopslagcapaciteit heeft, waardoor ongekende prestaties mogelijk zijn in lithium-zwavelbatterijen en supercondensatoren."

Volgens Bao, de nieuwe designerkoolstof vertegenwoordigt een dramatische verbetering ten opzichte van conventionele actieve kool, een goedkoop materiaal dat veel wordt gebruikt in producten variërend van waterfilters en luchtverfrissers tot apparaten voor energieopslag.

"Veel goedkope actieve kool wordt gemaakt van kokosnootschalen, " zei Bao. "Om de koolstof te activeren, fabrikanten verbranden de kokosnoot bij hoge temperaturen en behandelen deze vervolgens chemisch."

Het activeringsproces creëert gaten van nanogrootte, of poriën, die het oppervlak van de koolstof vergroten, waardoor het meer chemische reacties kan katalyseren en meer elektrische ladingen kan opslaan.

Maar actieve kool heeft ernstige nadelen, zei Bao. Bijvoorbeeld, er is weinig onderlinge verbinding tussen de poriën, die hun vermogen om elektriciteit te transporteren beperkt.

"Met actieve kool, er is geen manier om de porieconnectiviteit te controleren, " zei Bao. "Ook, veel onzuiverheden uit de kokosnootschalen en andere grondstoffen worden in de koolstof getransporteerd. Als koelkastdeodorant, conventionele actieve kool is prima, maar het biedt onvoldoende prestaties voor elektronische apparaten en toepassingen voor energieopslag."

3D-netwerken

In plaats van kokosnootschalen te gebruiken, Bao en haar collega's ontwikkelden een nieuwe manier om hoogwaardige koolstof te synthetiseren met behulp van goedkope - en niet-verontreinigde - chemicaliën en polymeren.

Het proces begint met het uitvoeren van hydrogel, een polymeer op waterbasis met een sponsachtige textuur die lijkt op zachte contactlenzen.

"Hydrogelpolymeren vormen een onderling verbonden, driedimensionaal raamwerk dat ideaal is voor het geleiden van elektriciteit, Bao zei. "Dit raamwerk bevat ook organische moleculen en functionele atomen, zoals stikstof, waarmee we de elektronische eigenschappen van de koolstof kunnen afstemmen."

Voor de studie, het Stanford-team gebruikte een mild carbonisatie- en activeringsproces om de organische polymeerstructuren om te zetten in nanometer-dikke koolstoflagen.

"De carbonplaten vormen een 3D-netwerk met een goede porieconnectiviteit en een hoge elektronische geleidbaarheid, " zei afgestudeerde student John To, een co-hoofdauteur van de studie. "We hebben ook kaliumhydroxide toegevoegd om de koolstofplaten chemisch te activeren en hun oppervlak te vergroten."

Het resultaat:design carbon dat kan worden afgesteld voor verschillende toepassingen.

"We noemen het designerkoolstof omdat we de chemische samenstelling ervan kunnen controleren, poriegrootte en oppervlakte eenvoudig door het type polymeren en organische linkers die we gebruiken te veranderen, of door de hoeveelheid warmte aan te passen die we tijdens het fabricageproces toepassen, "Te zeggen.

Bijvoorbeeld, het verhogen van de verwerkingstemperatuur van 750 graden Fahrenheit (400 graden Celsius) naar 1, 650 F (900 C) resulteerde in een 10-voudige toename van het poriënvolume.

Daaropvolgende verwerking produceerde koolstofmateriaal met een recordoppervlak van 4, 073 vierkante meter per gram - het equivalent van drie Amerikaanse voetbalvelden verpakt in een ons koolstof. Het maximale oppervlak bereikt met conventionele actieve kool is ongeveer 3, 000 vierkante meter per gram.

"Een groot oppervlak is essentieel voor veel toepassingen, inclusief elektrokatalyse, het opslaan van energie en het opvangen van kooldioxide-emissies van fabrieken en elektriciteitscentrales, ' zei Bao.

Supercondensatoren

Om te zien hoe het nieuwe materiaal presteerde in reële omstandigheden, het Stanford-team vervaardigde met koolstof beklede elektroden en installeerde ze in lithium-zwavelbatterijen en supercondensatoren.

"Supercondensatoren zijn apparaten voor het opslaan van energie die veel worden gebruikt in transport en elektronica vanwege hun ultrasnelle oplaad- en ontlaadvermogen, " zei postdoctoraal wetenschapper Zheng Chen, een co-hoofdauteur. "Voor supercondensatoren, het ideale koolstofmateriaal heeft een groot oppervlak voor het opslaan van elektrische ladingen, hoge geleidbaarheid voor het transporteren van elektronen en een geschikte porie-architectuur die de snelle beweging van ionen van de elektrolytoplossing naar het koolstofoppervlak mogelijk maakt."

In het experiment, een stroom werd toegepast op supercondensatoren die waren uitgerust met designer-koolstofelektroden.

De resultaten waren dramatisch. De elektrische geleidbaarheid is drievoudig verbeterd in vergelijking met supercondensatorelektroden gemaakt van conventionele actieve kool.

"We ontdekten ook dat onze designer-koolstof de snelheid van de vermogensafgifte en de stabiliteit van de elektroden verbeterde, " voegde Bao toe.

Batterijen

Er zijn ook tests uitgevoerd met lithium-zwavelbatterijen, een veelbelovende technologie met een ernstige tekortkoming:wanneer lithium en zwavel reageren, ze produceren moleculen lithiumpolysulfide, die van de elektrode in de elektrolyt kunnen lekken en ervoor kunnen zorgen dat de batterij defect raakt.

Het Stanford-team ontdekte dat elektroden gemaakt met designerkoolstof die vervelende polysulfiden kunnen vasthouden en de prestaties van de batterij kunnen verbeteren.

"We kunnen eenvoudig elektroden ontwerpen met zeer kleine poriën die lithiumionen door de koolstof laten diffunderen, maar voorkomen dat de polysulfiden uitlogen, " zei Bao. "Onze designer carbon is eenvoudig te maken, relatief goedkoop en voldoet aan alle kritische eisen voor hoogwaardige elektroden."