Genom att kombinera krafterna hos två enatomtjocka kolstrukturer, forskare vid George Washington Universitys Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory har skapat en ny ultrakondensator som är både högpresterande och låg kostnad.

Enheten, beskrivs i Journal of Applied Physics , drar nytta av synergin genom att blanda grafenflingor med enkelväggiga kolnanorör, två kolnanostrukturer med komplementära egenskaper.

Ultraljudskondensatorer är energilagringsanordningar som innehåller stora mängder energi och som också snabbt kan frigöra den energin i en kraftig ökning. Genom att kombinera batteriernas höga energidensitetsegenskaper med konventionella kondensatorers höga effektdensitetsegenskaper, ultrakondensatorer kan öka prestanda för elfordon, handhållen elektronik, ljudsystem och mer.

Enkelväggiga kolnanorör och grafen har båda unika och utmärkta elektroniska, termisk, och mekaniska egenskaper som gör dem attraktiva material för att designa nya ultrakondensatorer, sa Jian Li, första författare på tidningen. Många grupper hade utforskat användningen av de två materialen separat, men få hade tittat på att kombinera dem, han sa.

"I vårt labb utvecklade vi ett tillvägagångssätt genom vilket vi kan få både enkelväggiga kolnanorör och grafen, så vi kom på idén att dra fördel av de två lovande kolnanomaterialen tillsammans, " tillade Michael Keidar, en professor vid institutionen för maskin- och rymdteknik vid School of Engineering and Applied Science vid GW, och chef för Micro-propulsion and Nanotechnology Laboratory.

Forskarna syntetiserade grafenflingorna och nanorören genom att förånga en ihålig grafitstav fylld med metalliskt katalysatorpulver med en ljusbåge. De blandade sedan ihop de två nanostrukturerna för att bilda ett bläck som de rullade på papper, en gemensam separator för nuvarande kommersiella kondensatorer.

Kombinationsenhetens specifika kapacitans, en mätning av prestandan hos en kondensator per viktenhet, var tre gånger högre än den specifika kapacitansen för en enhet gjord av enbart kolnanorör.

Fördelen med hybridstrukturen, Li förklarade, är att grafenflingorna ger hög yta och god ledningsförmåga i planet, medan kolnanorören förbinder alla strukturer för att bilda ett enhetligt nätverk.

Medan andra typer av ultrakondensatorer också har uppnått den höga specifika kapacitansen hos grafen/nanorörhybriden, säger forskarna, den största fördelen med kombinationsmetoden är dess låga kostnader, eftersom teamet har utvecklat ett enkelt sätt att tillverka stora mängder av den önskvärda blandningen av kolnanostrukturer.

Hybrid-ultrakondensatorn är också liten och lätt, en fördel eftersom elektroniska enheter blir allt mindre.