En uppdatering om nyligen rapporterad forskning om porösa kolfibrer visar hur detta material kan användas i en industriell miljö, markerar ett viktigt steg från det teoretiska till tillämpningen.

Guoliang "Greg" Liu, en biträdande professor i kemi vid College of Science och en medlem av Macromolecules Innovation Institute, har arbetat med att utveckla kolfibrer med enhetliga porösa strukturer. I en tidskriftsartikel publicerad nyligen i Vetenskapens framsteg , Liu beskrev hur hans labb använde blocksampolymerer för att skapa kolfibrer med mesoporer jämnt utspridda, liknar en svamp.

Bara en vecka efter, Liu har publicerat ännu en artikel, denna gång in Naturkommunikation . Den nya artikeln visar hur Lius porösa kolfibrer kan möjliggöra hög energitäthet och höga elektron/jonladdningshastigheter, som vanligtvis utesluter varandra i elektrokemiska energilagringsanordningar.

"Detta är nästa steg som kommer att vara relevant för industrin, ", sa Liu. "Vi vill göra en industrivänlig process. Nu borde industrin på allvar se på kolfiber inte bara som ett strukturellt material utan också en energilagringsplattform för bilar, flygplan, och andra."

Introduktion av pseudokapacitiva material

Kolfibrer används redan i stor utsträckning inom flyg- och bilindustrin på grund av deras höga prestanda inom en mängd olika områden, inklusive mekanisk styrka och vikt. Lius långsiktiga vision är att bygga exteriöra bilskal av porösa kolfibrer som kan lagra energi i porerna.

Men kol i sig är inte tillräckligt. Även om ett strukturellt förstklassigt material, kol har inte tillräckligt hög energitäthet för att skapa superkondensatorer för mycket krävande tillämpningar.

Den nuvarande industristandarden kopplar kol med vad som kallas pseudokapacitiva material, som låser upp förmågan att lagra en stor mängd energi men inducerar ett annat problem med långsam laddnings-urladdningshastighet.

Ett vanligt förekommande pseudokapacitivt material är manganoxid (MnO2) på grund av dess låga kostnad och rimliga prestanda. För att ladda MnO2 på kolfiber eller annat material, Liu blötlägger fibrerna i en lösning av KMnO4-prekursor. Prekursorn reagerar sedan med kol, etsar bort ett tunt lager kol, och förankrar på resten av kolet, skapar ett tunt lager med en tjocklek på cirka 2 nm.

Men industrin står inför en utmaning med MnO2. För lite MnO2 betyder att lagringskapaciteten är för låg. För mycket MnO2 skapar en för tjock päls som är elektriskt isolerande. Och ännu värre, det bromsar transporten av joner. Båda bidrar till långsamma laddnings-urladdningshastigheter.

"Vi vill koppla kol med pseudokapacitiva material eftersom de tillsammans har en mycket högre energitäthet än rent kol. Nu är frågan hur man löser problemet med elektron- och jonledningsförmåga, " sa Liu.

Dock, Liu har upptäckt att hans porösa kolfibrer kan övervinna denna återvändsgränd. Tester i hans labb visade det bästa av två världar:hög belastning av MnO2 och ihållande höga laddnings- och urladdningshastigheter.

Lius labb visade att de kunde ladda upp till 7 mg/cm2 MnO2 innan prestandan sjönk. Det är dubbelt eller nästan tre gånger så mycket MnO2 som industrin för närvarande kan använda.

"Vi har uppnått 84 procent av den teoretiska gränsen för detta material vid en massbelastning på 7 mg/cm2, " sa Liu. "Om du laddar 7 mg/cm2 av annat material, du kommer inte att nå detta."

Korttidsansökningar

I den takt Lius labb publicerar resultat, bilar som drivs av yttre skal kan vara här tidigare än vi tror, men Liu bromsar på den idén.

"I en långsiktig vision, vi skulle kunna ersätta bensin med bara elektriska superkondensatorbilar, " sa Liu. "I detta ögonblick, det minsta av vad vi kan göra är att använda detta som en energilagringsdel i bilar."

Liu sa att en kortare tillämpning kan vara att använda kolfiberdelarna för att leverera mycket energi på kort tid för att accelerera bilar snabbare.

Men Liu tittar också bortom bilindustrin till andra transportapplikationer.

"Om du vill att en drönare ska leverera produkter för Amazon, du vill att drönaren ska bära så mycket vikt som möjligt, och du vill att drönaren ska vara så lätt som möjligt, ", sa Liu. "Kolfiberbaserade drönare kan göra båda jobben. Kolfibrerna är starka konstruktionsmaterial för att bära varorna, och de är energilagringsmaterial för att ge kraft för transport."

Forskningen om detta material accelererar i Lius labb, och han sa att han fortfarande har många fler idéer att testa.

"Vad jag tror är att porösa kolfibrer är ett plattformsmaterial, " sa Liu. "De första två tidningarna, vi fokuserade på energilagring för fordon. Men vi tror att det här materialet kan göra mer än så. Förhoppningsvis kan vi snart berätta fler historier."