När hampa gör comeback i USA efter ett decennier långt förbud mot dess odling, forskare rapporterar att fibrer från växten kan packa lika mycket energi och kraft som grafen, länge utpekat som modellmaterial för superkondensatorer. De presenterar sin forskning, som ett kanadensiskt nystartat företag arbetar med att skala upp, vid det 248:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

David Mitlin, Ph.D., förklarar att superkondensatorer är energilagringsenheter som har enorm potential att förändra hur framtida elektronik drivs. Till skillnad från dagens uppladdningsbara batterier, som suger upp energi under flera timmar, superkondensatorer kan laddas och laddas ur inom några sekunder. Men de kan normalt inte lagra lika mycket energi som batterier, en viktig egenskap som kallas energitäthet. En metod som forskare använder för att öka superkondensatorernas energitäthet är att designa bättre elektroder. Mitlins team har kommit på hur man gör dem av vissa hampafibrer - och de kan hålla lika mycket energi som den nuvarande topputmanaren:grafen.

"Vår enhets elektrokemiska prestanda är i nivå med eller bättre än grafenbaserade enheter, " säger Mitlin. "Den viktigaste fördelen är att våra elektroder är gjorda av bioavfall med en enkel process, och därför, är mycket billigare än grafen."

Kapplöpet mot den ideala superkondensatorn har till stor del fokuserat på grafen – en stark, lätt material gjord av atomtjocka lager av kol, som när de är staplade, kan göras till elektroder. Forskare undersöker hur de kan dra nytta av grafens unika egenskaper för att bygga bättre solceller, vattenfiltreringssystem, pekskärmsteknik, samt batterier och superkondensatorer. Problemet är att det är dyrt.

Mitlins grupp bestämde sig för att se om de kunde göra grafenliknande kol från hampabastfibrer. Fibrerna kommer från växtens inre bark och kasseras ofta från Kanadas snabbväxande industrier som använder hampa för kläder, byggmaterial och andra produkter. USA kan snart bli ytterligare en leverantör av bast. Det tillåter nu begränsad odling av hampa, som till skillnad från sin nära kusin, framkallar inte toppar.

Forskare hade länge misstänkt att hampabasten hade mer värde - det gällde bara att hitta rätt sätt att bearbeta materialet.

"Vi har ganska mycket räknat ut den hemliga såsen av det, säger Mitlin, som nu är på Clarkson University i New York. "Knepet är att verkligen förstå strukturen hos ett startmaterial och att justera hur det bearbetas för att ge dig vad som med rätta skulle kallas fantastiska egenskaper."

Hans team fann att om de värmde fibrerna i 24 timmar vid lite över 350 grader Fahrenheit, och sedan sprängde det resulterande materialet med mer intensiv värme, det skulle exfolieras till nanoskivor av kol.

Mitlins team byggde sina superkondensatorer med hjälp av hampa-härledda kol som elektroder och en jonisk vätska som elektrolyt. Helt monterad, enheterna presterade mycket bättre än kommersiella superkondensatorer både vad gäller energitäthet och det temperaturintervall som de kan arbeta över. De hampabaserade enheterna gav energitätheter så höga som 12 wattimmar per kilogram, två till tre gånger högre än kommersiella motsvarigheter. De fungerar också över ett imponerande temperaturintervall, från frysning till mer än 200 grader Fahrenheit.

"Vi har passerat proof-of-principle-stadiet för den fullt fungerande superkondensatorn, " säger han. "Nu rustar vi för småskalig tillverkning."