Förutsatt att du är nördig nog att öppna vilken mobil enhet som helst på marknaden – en telefon, surfplatta eller bärbar dator – den mest uppenbara komponenten i enheten är batteriet:det förbrukar i allmänhet upp till (om inte mer än) 60 % av utrymmet.

Det är en besvikelse att tro att prylarna du bär i princip är paket med energilagringsenheter. Tänk bara på hur mycket mer bärbara dessa enheter kunde vara om deras batterier var mindre och kraftfullare.

Sådana möjligheter är kanske inte långt borta.

Elektrokemiska kondensatorer, som en framväxande typ av avancerad energilagringsenhet, har bättre egenskaper än sina konventionella batterimotsvarigheter som snabbladdningskapacitet och nästan obegränsad livslängd.

I dag, i Vetenskap , mina kollegor och jag visar hur energilagringskapaciteten hos en elektrokemisk kondensator kan fördubblas genom att manipulera ett enda lager av kolatomer som kallas grafen.

Elektrokemisk kondensatorutveckling

Även om vi borde bli förvånade över hur mycket vi har ökat datorkraften i mindre utrymmen (de första datorerna fyllde hela rum) måste effektiviteten hos en energilagringsenhet – mängden energi som lagras per volymenhet – komma ikapp.

Tanken med att öka denna effektivitet är att packa mer aktivt, energilagrande material i samma mängd utrymme. Hur enkelt det än låter, det är väldigt svårt att göra.

Ett vanligt material som används i energilagringsanordningar är poröst kol. Poröst kol framställs genom att pussla ett basmaterial, som kokosnötsskal, med små porer, öka basmaterialets yta.

Porerna är viktiga för kapacitiv energilagring som i allmänna termer, fler porer betyder större yta för fysisk adsorption, vilket i sin tur leder till högre lagringskapacitet.

Traditionellt poröst kol, en gång gjort, har en inställd volym med fasta porer slumpmässigt utspridda inifrån och ut.

Det är inte riktigt möjligt att justera strukturen och sylta mer poröst kol i samma mängd utrymme utan att skrynkla ihop en bråkdel av porerna som är särskilt avgörande för kapacitiv energilagring.

Vi presenterar grafen

Grafen – ett enskiktsark av kolatomer – isolerades först 2004 och sedan dess, stora ansträngningar har ägnats åt att utforska dess fysik.

Det är det tunnaste materialet som människan känner, men ändå tuffare än diamant. Den kanaliserar elektroner i stort sett utan motstånd, vilket gör det till det enskilt mest ledande materialet.

Grafen råkar också vara den grundläggande byggstenen för poröst kol, så att börja med grafen ger oss ultimat kontroll över porös kolstruktur.

För att packa aktivt material på ett visst utrymme så mycket som möjligt, det är inte svårt att lista ut det mest effektiva sättet är att packa arkliknande grafen ansikte mot ansikte, som visas i diagrammet nedan.

Men problem börjar när två bitar grafen packas för tätt ihop. Som magneter, när den placeras närmare än ett kritiskt avstånd, grafenskivor kommer irreversibelt att fästa vid varandra, minskar deras yta, och som resultat, förlora sin kapacitet för energilagring.

Därför, det finns en söt plats där packningen av grafen, varken för löst eller för kompakt, är helt rätt:maximal belastning utan att skada dess förmåga att lagra energi.

Tillsätt bara vätska

Att hitta den där söta punkten kräver finjustering av strukturen i nanoskala. Om du tänker på ett hårt material som inte lätt deformeras, detta verkar utmanande – men det är naturligt att en vätska antar vilken form den är i.

Inspirerad av detta, vi använde vätskor som förmedlare mellan grafenark och lyckades justera packningen av grafen till filmer på ett nästan kontinuerligt sätt, ger oss vad vi kallar "mjuk" grafen.

Elektrokemiska kondensatorer baserade på de resulterande filmerna kan erhålla volymetriska energidensiteter som närmar sig 60 wattimmar per liter, som närmar sig det för blybatterier som finns i bilar.

Vårt arbete, som ett exempel på de många "mjuka" egenskaperna hos grafen, kommer att uppmuntra forskare från både grafen och mjuk materia att utveckla nya "mjuka" koncept för att ta itu med de viktigaste vetenskapliga och tekniska utmaningarna i samband med skalbar syntes, bearbetning och montering av grafenrelaterade material.

Vi tror att implementeringen av denna teknik kommer att revolutionera många energisektioner, som snabbladdande personlig elektronik samt prisvärd, långväga elfordon.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).