(Phys.org)—Medan de flesta av dagens elfordon är beroende av batterier för att lagra energi, superkondensatorer har haft betydande förbättringar som har gjort dem till allvarliga konkurrenter till batterier. Batterier har traditionellt sett övertaget vad gäller kapacitet, eftersom superkondensatorers låga kapacitet innebär mycket korta körsträckor för elfordon. Superkondensatorers största fördel ligger i deras mycket högre effekttäthet jämfört med batterier, möjliggör en snabbare laddningstid och möjligheten att snabbt ladda ur för snabb acceleration.

En ny studie av en grupp forskare vid University of Alberta och National Research Council of Canada, både i Alberta, Kanada, har visat att superkondensatorer har stor potential för fortsatta förbättringar.

Forskarna har syntetiserat ett nytt material som de kallar svampliknande grafen på grund av dess 3D makroporösa struktur och visat att det kan användas för att tillverka superkondensatorelektroder. Superkondensatorer med dessa nya elektroder har rimlig energitäthet när de arbetar med låga effekttätheter, men deras största attraktion är när de arbetar med ultrahöga effekttätheter på cirka 48, 000 W/kg, där de kan leverera en attraktiv energitäthet på 7,1 Wh/kg.

I början, en energitäthet på 7,1 Wh/kg kanske inte låter anmärkningsvärt jämfört med energitätheten hos de bästa Li-ion-batterierna, som Envia Systems rekordstora 400 Wh/kg som annonserades tidigare i år. Dock, för att minska tiden det tar att ladda litiumjonbatterier för elfordon från timmar till minuter, batterier måste ha en högre effekttäthet än deras nuvarande bästa värden på cirka 10, 000 W/kg. Så den 48, 000 W/kg effekttäthet för superkondensatorerna som rapporteras här, tillsammans med en energitäthet på 7,1 Wh/kg, visar att superkondensatorer kan erbjuda batterier viss konkurrens.

"Superkondensatorer och batterier är helt olika elektrokemiska energilagringsenheter, "medförfattare Zhi Li, av både University of Alberta och National Research Council of Canada, berättade Phys.org . "Här är ett exempel som används ganska ofta för att visa deras skillnader. Om du kör ett elfordon, du skulle vilja ha ett batteri med hög energidensitet för att hålla fordonet igång många mil och du skulle förmodligen också föredra en superkondensator med hög effekttäthet för att få bilen att starta/accelerera snabbare. Superkondensatorer är designade för att arbeta med mycket högre effekttäthet (snabbladdning/urladdning). 7,1 Wh/kg är långt ifrån attraktivt för ett batteri. Dock, denna energi levereras på mindre än 2 sekunder. Jag tror att inget av de befintliga batterierna är redo att göra det."

Som forskarna förklarar i sin studie, de syntetiserade den svampliknande grafenen av flerväggiga kolnanorör och koboltftalocyanin (PC) molekyler som fäster till kärnbildningsställen i nanorörets "skelettet". Dessa material värmdes i mikrovågsugn i 20 minuter för att ge grafit, och sedan omedelbart släckt med isvatten för att omvandla grafiten till grafenflingor. Svepelektronmikroskopbilder avslöjade en mycket enhetlig svampliknande morfologi i kolstrukturen.

I experiment, forskarna visade att elektroder gjorda av svampliknande grafen är stabila i två vanliga elektrolyter (jonisk vätska och vattenhaltig) som används i superkondensatorer. Medan många superkondensatorelektroder fungerar bra endast vid temperaturer på 60 °C (140 °F) eller högre, de svampliknande grafenelektroderna fungerar mycket bra vid rumstemperatur. Forskarna tillskriver både den goda rumstemperaturdriften och förmågan till snabb elektrolytöverföring (och resulterande hög effekttäthet) till elektrodens svampliknande makroporösa struktur.

De svampliknande grafenelektroderna uppvisar också en utmärkt livslängd. Efter att ha gått igenom 10, 000 laddnings-urladdningscykler, elektroderna bibehöll 90 % av sin kapacitet i den joniska flytande elektrolyten och 98 % i den vattenhaltiga elektrolyten.

"I det här arbetet, vi odlar grafen mellan CNT och får en nanoarkitektur som kan leverera energi med en superhög effekttäthet, " sa Li. "Men, det viktigaste bidraget från arbetet är att vi visade en metod som lämpar sig för att göra grafen i det begränsade utrymmet av andra nanomaterial. datorer, utgångsmaterialen vi använde, är små molekyler mindre än 2 nm och kan passa i det lilla utrymmet hos andra nanomaterial. Efter karbonisering och härdning, PC är på plats omvandlas till grafen. Dessutom, denna omvandling är en självkatalyserad reaktion som erbjuder stor flexibilitet för att göra grafenkomposit med andra nanomaterial. Som du vet, grafenkompositerna har mycket bredare tillämpning än grafen själv."

Övergripande, resultaten bygger på tidigare forskning som visar att 3D-grafenstrukturer kan fungera som en idealisk struktur för superkondensatorelektroder genom att tillåta snabb elektrolytöverföring genom de porösa kanalerna. Forskarna hoppas att ytterligare förbättringar i framtiden kommer att göra superkondensatorer attraktiva för elfordon, reservkraftssystem, och andra högeffektsapplikationer.

"Vi letar efter ett sätt att göra grafen tunnare, vilket skulle ge nanoarkitekturerna mer energitäthet, ", sa Li. "Den nuvarande tjockleken på grafen är cirka 5-6 lager. Vårt mål är att göra det mindre än 2 lager. Det kommer att fördubbla eller tredubbla energitätheten för materialen utan att offra effekttätheten."

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.