(Phys.org) – Forskare vid California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA har lagt scenen för en vattendelare inom mobil energilagring genom att använda ett speciellt grafenmaterial för att avsevärt öka energitätheten hos elektrokemiska kondensatorer, sätta dem i paritet med blybatterier.

Materialet, kallas en hålig grafenram, har en tredimensionell, perforerad struktur kännetecknad av små hål; det ökar inte bara energitätheten (mängden energi som lagras och är klar för användning) utan tillåter elektrokemiska kondensatorer att behålla sin höga effekttäthet (mängden effekt per mass- eller volymenhet), enligt Xiangfeng Duan, en UCLA-professor i kemi och biokemi som ledde forskningen.

Elektrokemiska kondensatorer, även känd som ECs eller superkondensatorer, är en viktig teknik för framtiden för energilagring och mobila strömförsörjningar, men de har begränsats av låg energitäthet. Jämfört med traditionella batterier, ECs har vanligtvis överlägsen effekttäthet och livslängd – antalet fullständiga laddnings-urladdningscykler som en energikälla kan stödja innan den minskar till 80 procent av sin ursprungliga kapacitet och anses vara "utsliten". Men de har haft en energitäthet på minst en storleksordning under batterier.

Eftersom huvudkomponenten i en EC är dess elektrodmaterial, som ansvarar för EG:s övergripande prestation, Ny forskning har fokuserat på effektiva nya material som kan öka energitätheten utan att offra effekttäthet eller livslängd. En högpresterande EC-elektrod måste ha hög elektrisk ledningsförmåga, en hög jontillgänglig yta, en hög jontransporthastighet och hög elektrokemisk stabilitet.

Nuvarande toppmoderna EC använder i allmänhet porösa elektroder med aktivt kol med energitätheter som är mycket lägre än blybatterier – 4 till 5 wattimmar per kilogram kontra 25 till 35 wattimmar per kilogram (5 till 7 wattimmar per liter vs. 50 till 90 wattimmar per liter).

I deras studie, publicerades online 8 augusti i tidskriften Naturkommunikation , CNSI-forskarna ledda av Duan använde ett mycket sammankopplat 3D-holey-grafenramverk som elektrodmaterial för att skapa en EC med oöverträffad prestanda. Elektroden visar överlägsen elektrisk ledningsförmåga, exceptionell mekanisk flexibilitet och unik hierarkisk porositet, säkerställer effektiv transport av elektroner och joner och möjliggör högsta gravimetriska energitätheter på 127 wattimmar per kilogram och volymetrisk energitäthet på 90 wattimmar per liter.

Vidare, teamet har visat att en helt förpackad EC uppvisar oöverträffade energitätheter på 35 wattimmar per kilogram (49 wattimmar per liter) – cirka fem till tio gånger högre än nuvarande kommersiella superkondensatorer och i nivå med syrabatterier.

"Holey grahene EC överbryggar energitäthetsgapet mellan traditionella kondensatorer och batterier, men med mycket högre effekttäthet, "Duan sa. "Det skapar spännande möjligheter för mobila strömförsörjningar för många applikationer från mobiltelefoner till elfordon."