En ny böjbar superkondensator tillverkad av grafen, som laddas snabbt och säkert lagrar en rekordhög energinivå för användning under en lång period. Kredit:Dr Zhuangnan Li (UCL)
Medan på proof-of-concept-stadiet, den visar en enorm potential som bärbar strömkälla i flera praktiska tillämpningar inklusive elfordon, telefoner och bärbar teknik.
Upptäckten, publiceras idag i Naturenergi , övervinner problemet med högt ställda, snabbladdande superkondensatorer — att de vanligtvis inte kan hålla en stor mängd energi på ett litet utrymme.
Första författaren till studien, Dr. Zhuangnan Li (UCL Chemistry), sa:"Vår nya superkondensator är extremt lovande för nästa generations energilagringsteknik som antingen en ersättning för nuvarande batteriteknik, eller för användning bredvid den, för att ge användaren mer kraft.
"Vi designade material som skulle ge vår superkondensator en hög effekttäthet - det vill säga hur snabbt den kan laddas eller laddas ur - och en hög energitäthet - som kommer att avgöra hur länge den kan köras. Normalt, du kan bara ha en av dessa egenskaper men vår superkondensator ger båda, vilket är ett kritiskt genombrott.
"Dessutom, superkondensatorn kan böjas till 180 grader utan att påverka prestandan och använder inte en flytande elektrolyt, vilket minimerar risken för explosion och gör den perfekt för att integreras i böjliga telefoner eller bärbar elektronik."
Ett team av kemister, ingenjörer och fysiker arbetade med den nya designen, som använder ett innovativt grafenelektrodmaterial med porer som kan ändras i storlek för att lagra laddningen mer effektivt. Denna inställning maximerar superkondensatorns energitäthet till rekordhöga 88,1 Wh/L (Watt-timme per liter), vilket är den högsta någonsin rapporterade energitätheten för kolbaserade superkondensatorer.
Liknande snabbladdande kommersiell teknologi har en relativt dålig energitäthet på 5-8 Wh/L och traditionella långsamt laddade men långvariga blybatterier som används i elfordon har vanligtvis 50-90 Wh/L.
En ny böjbar superkondensator tillverkad av grafen kan böjas till 180 grader utan att påverka prestandan och använder inte en flytande elektrolyt, vilket minimerar risken för explosion och gör den perfekt för att integreras i böjliga telefoner eller bärbar elektronik. Kredit:Dr Zhuangnan Li (UCL)
Medan superkondensatorn som utvecklats av teamet har en energitäthet som är jämförbar med det senaste värdet för blybatterier, dess effekttäthet är två storleksordningar högre på över 10, 000 watt per liter.
Senior författare och dekanus för UCL Mathematical &Physical Sciences, Professor Ivan Parkin (UCL Chemistry), sa:"Att framgångsrikt lagra en enorm mängd energi på ett säkert sätt i ett kompakt system är ett viktigt steg mot förbättrad energilagringsteknik. Vi har visat att den laddas snabbt, vi kan kontrollera dess produktion och den har utmärkt hållbarhet och flexibilitet, vilket gör den idealisk för utveckling för användning i miniatyriserad elektronik och elfordon. Föreställ dig att du bara behöver tio minuter för att ladda din elbil helt eller ett par minuter för din telefon och det håller hela dagen."
Forskarna gjorde elektroder från flera lager av grafen, skapar en tät, men poröst material som kan fånga laddade joner av olika storlekar. De karakteriserade den med en rad olika tekniker och fann att den fungerade bäst när porstorlekarna matchade diametern på jonerna i elektrolyten.
Det optimerade materialet, som bildar en tunn film, användes för att bygga en proof-of-concept-enhet med både hög effekt och hög energitäthet.
Superkondensatorn på 6 cm x 6 cm tillverkades av två identiska elektroder skiktade på vardera sidan av en gelliknande substans som fungerade som ett kemiskt medium för överföring av elektrisk laddning. Detta användes för att driva dussintals lysdioder (LED) och visade sig vara mycket robust, flexibel och stabil.
Även när den är böjd i 180 grader, det fungerade nästan likadant som när det var platt, och efter 5, 000 cykler, den behöll 97,8 % av sin kapacitet.
Senior författare, Professor Feng Li (kinesiska vetenskapsakademin), sa:"Under de kommande trettio åren, världen av intelligent teknik kommer att accelerera, som i hög grad kommer att förändra kommunikationen, transporter och vårt dagliga liv. Genom att göra energilagring smartare, enheter kommer att bli osynliga för oss genom att arbeta automatiskt och interaktivt med apparater. Våra smarta celler är ett bra exempel på hur användarupplevelsen kan förbättras och de visar en enorm potential som bärbar strömförsörjning i framtida applikationer."
