Maskiningenjörer från UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science och fyra andra institutioner har designat en supereffektiv och långvarig elektrod för superkondensatorer. Enhetens design inspirerades av strukturen och funktionen hos löv på trädgrenar, och det är mer än 10 gånger effektivare än andra konstruktioner.

Elektroddesignen ger samma mängd energilagring, och levererar lika mycket kraft, som liknande elektroder, trots att den är mycket mindre och lättare. I experiment gav den 30 procent bättre kapacitans - en enhets förmåga att lagra en elektrisk laddning - för sin massa jämfört med den bästa tillgängliga elektroden tillverkad av liknande kolmaterial, och 30 gånger bättre kapacitans per område. Den producerade också 10 gånger mer kraft än andra konstruktioner och behöll 95 procent av sin ursprungliga kapacitans efter mer än 10, 000 laddningscykler.

Deras arbete beskrivs i tidningen Naturkommunikation .

Superkondensatorer är laddningsbara energilagringsenheter som levererar mer kraft för sin storlek än batterier av liknande storlek. De laddar också snabbt, och de håller i hundratals till tusentals laddningscykler. I dag, de används i hybridbilars regenerativa bromssystem och för andra applikationer. Framsteg inom superkondensatorteknologi skulle kunna göra deras användning utbredd som ett komplement till, eller till och med ersättning för, de mer bekanta batterierna konsumenterna köper varje dag för hushållselektronik.

Ingenjörer har vetat att superkondensatorer kan göras kraftfullare än dagens modeller, men en utmaning har varit att producera mer effektiva och hållbara elektroder. Elektroder attraherar joner, som lagrar energi, till superkondensatorns yta, där energin blir tillgänglig att använda. Joner i superkondensatorer lagras i en elektrolytlösning. En elektrods förmåga att leverera lagrad kraft snabbt bestäms till stor del av hur många joner den kan byta med den lösningen:Ju fler joner den kan byta, desto snabbare kan den leverera kraft.

Veta att, forskarna designade sin elektrod för att maximera dess yta, skapa största möjliga utrymme för den att attrahera elektroner. De hämtade inspiration från trädens struktur, som kan absorbera stora mängder koldioxid för fotosyntes på grund av deras bladyta.

"Vi hittar ofta inspiration i naturen, och växter har upptäckt det bästa sättet att absorbera kemikalier som koldioxid från sin miljö, sa Tim Fisher, studiens huvudutredare och en UCLA -professor i mekanisk och rymdteknik. "I detta fall, vi använde den idén men i mycket, mycket mindre skala - ungefär en miljondel av storleken, faktiskt."

För att skapa gren-och-löv-designen, forskarna använde två nanoskala strukturer sammansatta av kolatomer. "Grenarna" är uppsättningar av ihåliga, cylindriska kolnanorör, cirka 20 till 30 nanometer i diameter; och "löven" är skarpkantade kronbladsliknande strukturer, cirka 100 nanometer bred, som är gjorda av grafen - ultratunna skivor av kol. Bladen arrangeras sedan på omkretsen av nanorörstjälkarna. De lövliknande grafenbladen ger också elektroden stabilitet.

Ingenjörerna formade sedan strukturerna till tunnelformade arrayer, som jonerna som transporterar den lagrade energin strömmar igenom med mycket mindre motstånd mellan elektrolyten och ytan för att leverera energi än de skulle göra om elektrodytorna var plana.

Elektroden fungerar också bra i sura förhållanden och höga temperaturer, båda miljöer där superkondensatorer skulle kunna användas.