(PhysOrg.com) - Forskare vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory har hjälpt till att avslöja nanoskala strukturen för en ny form av kol, bidrar till en förklaring till varför detta nya material fungerar som en superabsorberande svamp när det gäller att suga upp elektrisk laddning. Materialet, som nyligen skapades vid University of Texas - Austin, kan införlivas i "superkondensator" energilagringsenheter med anmärkningsvärt hög lagringskapacitet med bibehållen andra attraktiva attribut som supersnabb energilösning, snabb laddningstid, och en livstid på minst 10, 000 laddnings-/urladdningscykler.

"Dessa egenskaper gör denna nya form av kol särskilt attraktiv för att tillgodose behovet av elektrisk energilagring som också kräver en snabb frigöring av energi - till exempel i elfordon eller för att jämna ut strömtillgängligheten från intermittenta energikällor, som vind och solenergi, "sa Brookhaven materialvetare Eric Stach, en medförfattare på ett papper som beskriver materialet som publiceras i Vetenskap den 12 maj, 2011.

Superkondensatorer liknar batterier genom att båda lagrar elektrisk laddning. Batterier gör det genom kemiska reaktioner mellan metallelektroder och en flytande elektrolyt. Eftersom dessa kemikalier tar tid att reagera, energi lagras och släpps relativt långsamt. Men batterier kan lagra mycket energi och släppa den under ganska lång tid.

Superkondensatorer, å andra sidan, lagra laddning i form av joner på elektrodernas yta, liknande statisk elektricitet, snarare än att förlita sig på kemiska reaktioner. Laddning av elektroderna gör att joner i elektrolyten separeras, eller polarisera, också - så laddas lagras vid gränssnittet mellan elektroderna och elektrolyten. Porer i elektroden ökar ytarean över vilken elektrolyten kan flöda och interagera - vilket ökar mängden energi som kan lagras.

Men eftersom de flesta superkondensatorer inte kan hålla nästan lika mycket laddning som batterier, deras användning har begränsats till applikationer där mindre mängder energi snabbt behövs, eller där lång livscykel är avgörande, till exempel i mobila elektroniska enheter.

Det nya materialet som utvecklats av UT-Austin-forskarna kan ändra det. Superkondensatorer tillverkade av den har en energilagringskapacitet, eller energitäthet, som närmar sig energitätheten för bly-syrabatterier, samtidigt som den höga effekttätheten bibehålls - det vill säga snabb energiutsläpp - det är karakteristiskt för superkondensatorer.

"Detta nya material kombinerar egenskaperna hos båda elektriska lagringssystem, "sade Rodney Ruoff, teamledare vid University of Texas." Vi var ganska chockade över dess exceptionella prestanda. "

UT-Austin-teamet hade bestämt sig för att skapa en mer porös form av kol genom att använda kaliumhydroxid för att omstrukturera kemiskt modifierade grafenplättar-en form av kol där atomerna är placerade i kakelliknande ringar som ligger platta för att bilda en atomtjocka ark. Sådan "kemisk aktivering" har tidigare använts för att skapa olika former av "aktivt kol, "som har porer som ökar ytarean och används i filter och andra applikationer, inklusive superkondensatorer.

Men eftersom denna nya form av kol var så överlägsen andra som används i superkondensatorer, UT-Austin-forskarna visste att de skulle behöva karaktärisera dess struktur på nanoskala.

Ruoff hade bildat en hypotes om att materialet bestod av ett kontinuerligt tredimensionellt poröst nätverk med enkelatomtjocka väggar, med en signifikant bråkdel som är "negativ krökningskol, "liknar buckyballs inifrån och ut. Han vände sig till Stach på Brookhaven för att få hjälp med ytterligare strukturell karakterisering för att verifiera eller motbevisa denna hypotes.

Stach och Brookhaven -kollegan Dong Su genomförde ett brett spektrum av studier vid Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), National Synchrotron Light Source (NSLS), och vid National Center for Electron Microscopy vid Lawrence Berkeley National Laboratory, alla tre anläggningar som stöds av DOE Office of Science. "På DOE -laboratorierna vi har världens högsta upplösningsmikroskop, så vi gick verkligen ut med att karakterisera atomstrukturen, "Sa Stach.

"Våra studier visade att Ruoffs hypotes faktiskt var korrekt, och att materialets tredimensionella nanoskala struktur består av ett nätverk av mycket böjda, enkelatomtjocka väggar som bildar små porer med bredder från 1 till 5 nanometer, eller miljarddels meter. "

Studien innehåller detaljerade bilder av den fina porstrukturen och själva kolväggarna, liksom bilder som visar hur dessa detaljer passar in i helheten. "Data från NSLS var avgörande för att visa att vår mycket lokala karakterisering var representativ för det övergripande materialet, "Sa Stach.

"Vi arbetar fortfarande med Ruoff och hans team för att sammanställa en fullständig beskrivning av materialstrukturen. Vi lägger också till beräkningsstudier för att hjälpa oss att förstå hur detta tredimensionella nätverk bildas, så att vi eventuellt kan skräddarsy porstorlekarna för att vara optimala för specifika applikationer, inklusive kapacitiv lagring, katalys, och bränsleceller, "Sa Stach.

Under tiden, forskarna säger att bearbetningsteknikerna som används för att skapa den nya formen av kol är lätt skalbara för industriell produktion. "Detta material - som är så enkelt tillverkat av ett av de mest förekommande elementen i universum - kommer att ha en bred inverkan på forskning och teknik inom både energilagring och energiomvandling, Sa Ruoff.