En forskargrupp ledd av Tohoku University i Japan har utvecklat nya material för superkondensatorer med högre spänning och bättre stabilitet än andra material. Deras forskning publicerades nyligen i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Superkondensatorer är laddningsbara energilagringsenheter med ett brett utbud av applikationer, från maskiner till smarta mätare. De erbjuder många fördelar jämfört med batterier, inklusive snabbare laddning och längre livslängder, men de är inte så bra på att lagra mycket energi.

Forskare har länge sökt högpresterande material för superkondensatorer som kan uppfylla kraven för energikrävande applikationer som bilar. "Det är mycket utmanande att hitta material som både kan arbeta vid högspänning och förbli stabila under svåra förhållanden, " säger Hirotomo Nishihara, materialvetare vid Tohoku University och medförfattare till artikeln.

Nishihara och hans kollegor samarbetade med superkondensatorproduktionsföretaget TOC Capacitor Co. för att utveckla ett nytt material som uppvisar utomordentligt hög stabilitet under förhållanden med hög spänning och hög temperatur.

Aktivt kol används för elektroderna i kondensatorer, men dessa begränsas av låg spänning i enstaka celler, byggstenarna som utgör kondensatorer. Detta innebär att ett stort antal celler måste staplas ihop för att uppnå den erforderliga spänningen. Avgörande, det nya materialet har högre encellsspänning, minska antalet staplingar och tillåta enheter att vara mer kompakta.

Det nya materialet är ett ark tillverkat av ett kontinuerligt tredimensionellt ramverk av grafen mesosponge, ett kolbaserat material som innehåller porer i nanoskala. En viktig egenskap hos materialen är att den är sömlös – den innehåller ett mycket litet antal kolkanter, platserna där korrosionsreaktioner uppstår, och detta gör den extremt stabil.

Forskarna undersökte de fysikaliska egenskaperna hos deras nya material med hjälp av elektronmikroskopi och en rad fysikaliska tester, inklusive tekniker för röntgendiffraktion och vibrationsspektroskopi. De testade också kommersiella grafenbaserade material, inklusive enkelväggiga kolnanorör, reducerade grafenoxider, och 3-D grafen, använda aktivt kol som riktmärke för jämförelse.

De visade att materialet hade utmärkt stabilitet vid höga temperaturer på 60 °C och hög spänning på 3,5 volt i en konventionell organisk elektrolyt. Betydligt nog, den visade ultrahög stabilitet vid 25°C och 4,4 volt – 2,7 gånger högre än konventionella aktivt kol och andra grafenbaserade material. "Detta är ett världsrekord för spänningsstabilitet för kolmaterial i en symmetrisk superkondensator, säger Nishihara.

Det nya materialet banar väg för utveckling av mycket hållbara, högspänningssuperkondensatorer som kan användas för många applikationer, inklusive motorfordon.