Ingenjörer vid University of California, San Diego har upptäckt en metod för att öka mängden elektrisk laddning som kan lagras i grafen, en tvådimensionell form av kol. Forskningen, publicerades nyligen online i tidskriften Nanobokstäver , kan ge en bättre förståelse för hur man kan förbättra energilagringsförmågan hos kondensatorer för potentiella tillämpningar i bilar, vindturbiner, och solenergi.

Kondensatorer laddas och laddas ur mycket snabbt, och är mer användbara för snabba stora energiskurar, som i kamerablixtar och kraftverk. Deras förmåga att snabbt ladda och ladda ur är en fördel jämfört med batteriernas långa laddningstid. Dock, problemet med kondensatorer är att de lagrar mindre energi än batterier.

Hur kan energilagringen hos en kondensator förbättras? Ett tillvägagångssätt från forskare i labbet av professor i maskinteknik Prabhakar Bandaru vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego var att införa mer laddning i en kondensatorelektrod med grafen som modellmaterial för sina tester. Principen är att ökad laddning leder till ökad kapacitans, vilket översätter till ökad energilagring.

Hur det är gjort

Att skapa en perfekt kolnanorörstruktur - en utan defekter, som är hål som motsvarar saknade kolatomer ― är näst intill omöjligt. Istället för att undvika defekter, forskarna i Bandarus labb kom på ett praktiskt sätt att använda dem istället.

"Jag var motiverad ur synvinkeln att laddade defekter kan vara användbara för energilagring, sa Bandaru.

Teamet använde en metod som kallas argonjonbaserad plasmabehandling, där grafenprover bombarderas med positivt laddade argonjoner. Under denna process, kolatomer slås ut ur grafenlagren och lämnar efter sig hål som innehåller positiva laddningar - det är de laddade defekterna. Att exponera grafenproverna för argonplasma ökade kapacitansen hos materialen tre gånger.

"Det var spännande att visa att vi kan introducera extra kapacitans genom att introducera laddade defekter, och att vi kunde kontrollera vilken typ av laddad defekt vi kunde införa i ett material, sa Rajaram Narayanan, en doktorand i professor Bandarus forskargrupp och första författare till studien.

Med hjälp av Raman-spektroskopi och elektrokemiska mätningar, teamet kunde karakterisera de typer av defekter som argonplasmabearbetning introducerade i grafengittren. Resultaten avslöjade bildandet av utökade defekter som kallas "fåtölj" och "sicksack"-defekter, som är namngivna baserat på konfigurationerna av de saknade kolatomerna.

Dessutom, elektrokemiska studier hjälpte laget att upptäcka en ny längdskala som mäter avståndet mellan laddningarna. "Denna nya längdskala kommer att vara viktig för elektriska applikationer, eftersom det kan ge underlag för hur små vi kan göra elektriska apparater, sa Bandaru.