(PhysOrg.com) - Elektrokemiska kondensatorer (EC), även känd som superkondensatorer eller ultrakondensatorer, skiljer sig från vanliga kondensatorer som du skulle hitta på din TV eller dator genom att de lagrar betydligt högre mängder laddningar. De har uppmärksammats som energilagringsenheter när de laddar och laddar ur snabbare än batterier, men de är fortfarande begränsade av låga energitätheter, bara en bråkdel av batteriets energitäthet. Ett EC som kombinerar kondensatorernas effektprestanda med batteriernas höga energitäthet skulle representera ett betydande framsteg inom energilagringstekniken. Detta kräver nya elektroder som inte bara bibehåller hög konduktivitet utan också ger högre och mer tillgänglig ytarea än konventionella EC:er som använder aktiverade kolelektroder.

Nu har forskare vid UCLA använt en standard LightScribe DVD -optisk enhet för att producera sådana elektroder. Elektroderna består av ett expanderat nätverk av grafen-ett atom-tjockt lager av grafitkol-som visar utmärkta mekaniska och elektriska egenskaper samt exceptionellt hög ytarea.

UCLA -forskare från Institutionen för kemi och biokemi, institutionen för materialvetenskap och teknik, och California NanoSystems Institute visar högpresterande grafenbaserade elektrokemiska kondensatorer som upprätthåller utmärkta elektrokemiska egenskaper under hög mekanisk påfrestning. Tidningen publiceras i tidningen Vetenskap .

Processen bygger på att belägga en DVD -skiva med en film av grafitoxid som sedan laserbehandlas inuti en LightScribe DVD -enhet för att producera grafenelektroder. Vanligtvis, prestanda för energilagringsenheter utvärderas av två huvudfigurer, energitätheten och effekttätheten. Antag att vi använder enheten för att köra en elbil - energitätheten berättar hur långt bilen kan gå en enda laddning medan effekttätheten säger hur snabbt bilen kan gå. Här, enheter tillverkade med Laser Scribed Graphene (LSG) -elektroder uppvisar värden för ultrahög energitäthet i olika elektrolyter samtidigt som EC:s höga effekttäthet och utmärkta cykelstabilitet bibehålls. Dessutom, dessa EC upprätthåller utmärkta elektrokemiska egenskaper under hög mekanisk påfrestning och lovar därför hög effekt, flexibel elektronik.

"Vår studie visar att våra nya grafenbaserade superkondensatorer lagrar lika mycket laddning som konventionella batterier, men kan laddas och laddas ut hundra till tusen gånger snabbare, "sade Richard B. Kaner, professor i kemi och materialvetenskap och teknik.

"Här, vi presenterar en strategi för framställning av högpresterande grafenbaserade EC genom en enkel metod för solid state som undviker ompackning av grafenark, "sa Maher F. El-Kady, huvudförfattaren till studien och en doktorand i Kaners lab.

Forskargruppen har tillverkat LSG -elektroder som inte har problem med aktiverade kolelektroder som hittills har begränsat prestanda för kommersiella EC:er. Först, LightScribe -lasern orsakar samtidig reduktion och exfoliering av grafitoxid och producerar ett öppet LSG -nätverk med betydligt högre och mer tillgänglig ytarea. Detta resulterar i en stor laddningskapacitet för LSG -superkondensatorerna. Elektrodernas öppna nätverksstruktur hjälper till att minimera diffusionsbanan för elektrolytjoner, vilket är avgörande för att ladda enheten. Detta kan redovisas av de lättillgängliga platta grafenarken, medan den största delen av det aktiva kolets ytarea ligger i mycket små porer som begränsar diffusionen av joner. Detta innebär att LSG -superkondensatorer har förmågan att leverera ultrahög effekt på kort tid medan aktivt kol inte kan.

Dessutom, LSG -elektroder är mekaniskt robusta och uppvisar hög konduktivitet (> 1700 S/m) jämfört med aktiverade kol (10-100 S/m). Detta innebär att LSG -elektroder direkt kan användas som superkondensatorelektroder utan att det behövs bindemedel eller strömkollektorer, vilket är fallet med konventionella aktiva kol -EC. Vidare, dessa egenskaper gör att LSG kan fungera som både det aktiva materialet och strömuppsamlaren i EG. Kombinationen av båda funktionerna i ett enda lager leder till en förenklad arkitektur och gör LSG-superkondensatorer till kostnadseffektiva enheter.

Kommersiellt tillgängliga EC består av en separator som är inklämd mellan två elektroder med flytande elektrolyt som antingen är spirallindad och förpackad i en cylindrisk behållare eller staplad i en knappcell. Tyvärr, dessa enhetsarkitekturer lider inte bara av eventuellt skadligt läckage av elektrolyter, men deras design gör det svårt att använda dem för praktisk flexibel elektronik.

Forskargruppen ersatte den flytande elektrolyten med en polymergelerad elektrolyt som också fungerar som en separator, ytterligare minska anordningens tjocklek och vikt och förenkla tillverkningsprocessen eftersom det inte kräver speciella förpackningsmaterial.

För att under verkliga förhållanden utvärdera potentialen för denna LSG-EC i solid state för flexibel lagring, forskargruppen placerade en enhet under konstant mekanisk påfrestning för att analysera dess prestanda. Intressant nog, detta hade nästan ingen effekt på enhetens prestanda.

"Vi tillskriver den höga prestandan och hållbarheten till elektrodernas höga mekaniska flexibilitet tillsammans med den genomträngande nätverksstrukturen mellan LSG -elektroderna och den gelade elektrolyten, "förklarar Kaner." Elektrolyten stelnar under enhetsmonteringen och fungerar som lim som håller ihop enhetens komponenter. "

Metoden förbättrar den mekaniska integriteten och ökar enhetens livscykel även när den testas under extrema förhållanden.

Eftersom denna anmärkningsvärda prestanda ännu inte har realiserats i kommersiella enheter, dessa LSG -superkondensatorer kan leda vägen till ideala energilagringssystem för nästa generations flexibla, bärbar elektronik.