Een team dat samenwerkt met Roland Fischer, Hoogleraar anorganische en metaal-organische chemie aan de Technische Universiteit München (TUM) heeft een zeer efficiënte supercondensator ontwikkeld. De basis van het energieopslagapparaat is een nieuw, krachtig en ook duurzaam grafeen hybride materiaal dat vergelijkbare prestatiegegevens heeft als momenteel gebruikte batterijen.

Gebruikelijk, energieopslag wordt geassocieerd met batterijen en accu's die energie leveren voor elektronische apparaten. Echter, op laptops, camera's, mobiele telefoons of voertuigen, er worden tegenwoordig steeds vaker zogenaamde supercondensatoren geïnstalleerd.

In tegenstelling tot batterijen kunnen ze snel grote hoeveelheden energie opslaan en net zo snel weer uitzetten. Indien, bijvoorbeeld, een trein remt bij het binnenkomen van het station, supercondensatoren slaan de energie op en leveren deze weer wanneer de trein heel snel veel energie nodig heeft tijdens het opstarten.

Echter, een probleem met supercondensatoren tot nu toe was hun gebrek aan energiedichtheid. Terwijl lithiumaccu's een energiedichtheid tot 265 kilowattuur (KW/h) bereiken, supercondensatoren hebben tot nu toe slechts een tiende daarvan geleverd.

Duurzaam materiaal biedt hoge prestaties

Het team dat samenwerkt met TUM-chemicus Roland Fischer heeft nu een roman ontwikkeld, krachtig en duurzaam grafeen hybride materiaal voor supercondensatoren. Het dient als de positieve elektrode in het energieopslagapparaat. De onderzoekers combineren het met een bewezen negatieve elektrode op basis van titaan en koolstof.

Het nieuwe energieopslagapparaat bereikt niet alleen een energiedichtheid tot 73 Wh/kg, wat ongeveer gelijk is aan de energiedichtheid van een nikkel-metaalhydridebatterij, maar presteert ook veel beter dan de meeste andere supercondensatoren bij een vermogensdichtheid van 16 kW/kg. Het geheim van de nieuwe supercondensator is de combinatie van verschillende materialen - vandaar, scheikundigen noemen de supercondensator 'asymmetrisch'.

Hybride materialen:de natuur is het rolmodel

De onderzoekers gokken op een nieuwe strategie om de prestatielimieten van standaardmaterialen te overwinnen:ze gebruiken hybride materialen. "De natuur zit vol met zeer complexe, evolutionair geoptimaliseerde hybride materialen - botten en tanden zijn voorbeelden. Hun mechanische eigenschappen, zoals hardheid en elasticiteit werden geoptimaliseerd door de combinatie van verschillende materialen van nature, ', zegt Roland Fischer.

Het abstracte idee van het combineren van basismaterialen werd door het onderzoeksteam overgebracht naar supercondensatoren. Als basis, ze gebruikten de nieuwe positieve elektrode van de opslageenheid met chemisch gemodificeerd grafeen en combineerden het met een nanogestructureerd metalen organisch raamwerk, een zogenaamde MOF.

Krachtig en stabiel

Doorslaggevend voor de prestaties van grafeenhybriden zijn enerzijds een groot specifiek oppervlak en controleerbare poriegroottes en anderzijds een hoge elektrische geleidbaarheid. "De hoge prestatiemogelijkheden van het materiaal zijn gebaseerd op de combinatie van de microporeuze MOF's met het geleidende grafeenzuur, " legt eerste auteur Jayaramulu Kolleboyina uit, een voormalig gastwetenschapper die samenwerkt met Roland Fischer.

Een groot oppervlak is belangrijk voor goede supercondensatoren. Het maakt het mogelijk om een ​​respectievelijk groot aantal ladingsdragers in het materiaal te verzamelen - dit is het basisprincipe voor de opslag van elektrische energie.

Door vakkundig materiaalontwerp, de onderzoekers zijn erin geslaagd het grafeenzuur te koppelen aan de MOF's. De resulterende hybride MOF's hebben een zeer groot binnenoppervlak van maximaal 900 vierkante meter per gram en presteren zeer goed als positieve elektroden in een supercondensator.

Lange stabiliteit

Echter, dat is niet het enige voordeel van het nieuwe materiaal. Om een ​​chemisch stabiele hybride te verkrijgen, men heeft sterke chemische bindingen tussen de componenten nodig. De bindingen zijn blijkbaar dezelfde als die tussen aminozuren in eiwitten, volgens Fischer:"In feite, we hebben het grafeenzuur verbonden met een MOF-aminozuur, die een soort peptidebinding creëert."

De stabiele verbinding tussen de nanogestructureerde componenten heeft enorme voordelen op het gebied van stabiliteit op lange termijn:hoe stabieler de bindingen, hoe meer laad- en ontlaadcycli mogelijk zijn zonder noemenswaardige prestatievermindering.

Ter vergelijking:een klassieke lithiumaccu heeft een levensduur van ongeveer 5, 000 cycli. De nieuwe cel die door de TUM-onderzoekers is ontwikkeld, behoudt zelfs na 10, 000 cycli.

Internationaal netwerk van experts

Fischer benadrukt hoe belangrijk de ongebreidelde internationale samenwerking was die de onderzoekers zelf beheersten bij de ontwikkeling van de nieuwe supercondensator. Overeenkomstig, Jayaramulu Kolleboyina bouwde het team. Hij was een gastwetenschapper uit India die was uitgenodigd door de Alexander von Humboldt Foundation en die inmiddels hoofd is van de scheikundeafdeling van het nieuw opgerichte Indian Institute of Technology in Jammu.

"Ons team heeft ook genetwerkt met experts op het gebied van elektrochemie en batterijonderzoek in Barcelona, ​​evenals experts op het gebied van grafeenderivaten uit Tsjechië, " meldt Fischer. "Bovendien we hebben geïntegreerde partners uit de VS en Australië. Dit geweldig, internationale samenwerking belooft veel voor de toekomst."