(PhysOrg.com) - Forskare vet att användning av superkondensatorer i kombination med batterier avsevärt kan öka bränsleekonomin för hybridelektriska fordon (HEV) på grund av det faktum att superkondensatorer kan återvinna och leverera energi mycket snabbare än batterier. Denna förmåga, till exempel, tillåter en superkondensator att återvinna all energi vid hård inbromsning, medan ett batteri skulle tillåta att energin slösas bort i friktionsbromsning på grund av dess oförmåga att snabbt skörda energi.

"Batterier kan inte snabbt skörda eller leverera energi, ” Rajesh Rajamani, en maskinteknikprofessor vid University of Minnesota, berättade PhysOrg.com . "När ett fordon måste bromsa snabbt, friktionsbromsar måste användas förutom elektromagnetiska bromsar, eftersom de elektromagnetiska bromsarna inte kan ladda ett batteri tillräckligt snabbt för att bromsa fordonet så snabbt som föraren vill. Till skillnad från batterier, en superkondensator kan skörda och leverera energi mycket snabbt."

Dock, en av de största utmaningarna som forskare står inför när de implementerar superkondensatorer i HEV är att hitta en plats under huven för att passa de skrymmande enheterna. En del av anledningen till att superkondensatorer är skrymmande är att de ofta använder en farlig flytande elektrolyt som måste förseglas och inrymmas, och dessa skyddsmaterial tillför vikt och volym till enheterna.

För att undvika detta problem, Rajamani och hans kollegor Shan Hu från University of Minnesota och Xun Yu från University of North Texas har designat en superkondensator som är helt solid-state, inklusive en elektrolyt i fast tillstånd som inte kräver skrymmande skyddsmaterial. Den nya superkondensatorn presterar konkurrenskraftigt med kommersiella superkondensatorer, ändå är den tillräckligt tunn och flexibel för att kunna passa nästan var som helst i en HEV, eventuellt även monterad på insidan av fordonskarossen. Forskarna publicerade sin studie om det flexibla, solid-state superkondensatorer i ett färskt nummer av Bokstäver i tillämpad fysik .

"HEV-bilar på marknaden idag har inga superkondensatorer, sa Rajamani. "Flera forskargrupper har arbetat med användningen av superkondensatorer tillsammans med batterier i HEV för att ge bättre bränsleekonomi och snabbare fordonsrespons. Vår forskning ger dem en ny superkondensator som är flexibel och solid state och som inte kräver utrymme i huven eller bagageutrymmet."

Den nya solid-state superkondensatorn består av enkelväggigt kolnanorörsbelagt bomullspapper som elektroder och en solid polymer som elektrolyt. För elektroderna, forskarna använde bomullspapper som normalt används för kosmetiska ansiktsmasker, eftersom det är mer lätt och absorberande än tryckpapper. Efter att ha klippt bomullspappret till önskad form, forskarna doppade upprepade gånger papperet i en lösning av syrabehandlade nanorör, som fäste starkt vid papperet.

För elektrolyten, forskarna blandade och värmde en polymerlösning som ursprungligen såg ut som en klar, limliknande gel. Men efter att ha doppat de färdiga elektroderna i gelén, montera ihop elektroderna ansikte mot ansikte och låta allt torka, överskottsvattnet avdunstades och elektrolyten stelnade.

"Den största betydelsen av vårt arbete är att det har resulterat i en flexibel och solid-state superkondensator, sa Rajamani. ”Andra forskare har tidigare använt kolnanorör i elektroderna för supercaps. Dock, deras superkapslar använde också flytande elektrolyter och var därför varken helt solid state eller flexibla."

I tester, superkondensatorn kan laddas till mer än 3 volt, vilket är fördelaktigt för att uppnå en hög energitäthet, eller låta mer energi lagras i en given volym. Superkondensatorns övriga specifikationer – en specifik kapacitans på 13,15 F/g och en specifik energi på 5,54 Wh/kg – är mycket lika värdena för kommersiella superkondensatorer. Plus, dess flexibilitet gör att den kan böjas för enkel passning i små utrymmen, vilket kan göra det användbart för bärbar elektronik såväl som HEV.

Den nya superkondensatorns största nackdel är dess höga motstånd, vilket resulterar i en låg total effekttäthet och därför en långsam laddningshastighet. Forskarna tror att orsaken till det höga motståndet beror på pappers-nanorörselektroderna, som har högre resistans än metallelektroder. Dock, de förutspår att beläggning av bomullspapperet med en nanorörslösning med högre densitet kan minska motståndet, och de planerar att arbeta mer med denna fråga i framtiden.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.