Forskare vid Stanford University har skapat ett nytt kolmaterial som avsevärt ökar prestanda för energilagringsteknik. Deras resultat finns på omslaget till tidningen ACS Central Science .

"Vi har utvecklat ett" designer carbon "som är både mångsidigt och kontrollerbart, "sade Zhenan Bao, seniorförfattaren till studien och en professor i kemiteknik vid Stanford. "Vår studie visar att detta material har exceptionell energilagringskapacitet, möjliggör oöverträffad prestanda i litium-svavelbatterier och superkondensatorer. "

Enligt Bao, det nya designkolet representerar en dramatisk förbättring jämfört med konventionellt aktivt kol, ett billigt material som ofta används i produkter som sträcker sig från vattenfilter och luftavfuktare till energilagringsenheter.

"Mycket billigt aktivt kol tillverkas av kokosnötskal, "Sa Bao." För att aktivera kolet, tillverkare bränner kokosnöt vid höga temperaturer och behandlar den sedan kemiskt. "

Aktiveringsprocessen skapar nanosiserade hål, eller porer, som ökar kolytan, så att den kan katalysera fler kemiska reaktioner och lagra fler elektriska laddningar.

Men aktivt kol har allvarliga nackdelar, Sa Bao. Till exempel, det finns liten sammankoppling mellan porerna, vilket begränsar deras förmåga att transportera el.

"Med aktivt kol, det finns inget sätt att kontrollera poranslutningen, "Sa Bao." Också, massor av orenheter från kokosnötskal och andra råmaterial transporteras in i kolet. Som kylskåp deodorant, konventionellt aktivt kol är bra, men det ger inte tillräckligt hög prestanda för elektroniska enheter och energilagringsapplikationer. "

3D-nätverk

Istället för att använda kokosnötskal, Bao och hennes kollegor utvecklade ett nytt sätt att syntetisera högkvalitativt kol med hjälp av billiga - och oförorenade - kemikalier och polymerer.

Processen börjar med att leda hydrogel, en vattenbaserad polymer med en svampig konsistens som liknar mjuka kontaktlinser.

"Hydrogelpolymerer bildar en sammankopplad, tredimensionellt ramverk som är idealiskt för ledning av elektricitet, "Sa Bao." Denna ram innehåller också organiska molekyler och funktionella atomer, som kväve, som gör att vi kan justera kolets elektroniska egenskaper. "

För studien, Stanford-teamet använde en mild karboniserings- och aktiveringsprocess för att omvandla de organiska polymerramarna till nanometertjocka kolark.

"Kolskikten bildar ett 3D-nätverk som har god poranslutning och hög elektronisk konduktivitet, "sade doktoranden John To, medförfattare till studien. "Vi tillsatte också kaliumhydroxid för att kemiskt aktivera kolarken och öka deras ytarea."

Resultatet:designkol som kan finjusteras för en mängd olika applikationer.

"Vi kallar det designkol eftersom vi kan kontrollera dess kemiska sammansättning, porstorlek och ytarea helt enkelt genom att ändra typen av polymerer och organiska länkar vi använder, eller genom att justera mängden värme vi tillför under tillverkningsprocessen, "Till sa.

Till exempel, höja bearbetningstemperaturen från 750 grader Fahrenheit (400 grader Celsius) till 1, 650 F (900 C) resulterade i en 10-faldig ökning av porvolymen.

Efterföljande bearbetning producerade kolmaterial med en rekordhög ytarea på 4, 073 kvadratmeter per gram - motsvarande tre amerikanska fotbollsplaner packade i ett uns kol. Den maximala ytarean som uppnås med konventionellt aktivt kol är cirka 3, 000 kvadratmeter per gram.

"Hög ytarea är avgörande för många applikationer, inklusive elektrokatalys, lagra energi och fånga koldioxidutsläpp från fabriker och kraftverk, "Sa Bao.

Superkondensatorer

För att se hur det nya materialet presterade under verkliga förhållanden, Stanford-teamet tillverkade kolbelagda elektroder och installerade dem i litium-svavelbatterier och superkondensatorer.

"Superkondensatorer är energilagringsenheter som ofta används inom transport och elektronik på grund av deras extremt snabba laddnings- och urladdningsförmåga, "sa postdoktor Zheng Chen, medledande författare. "För superkondensatorer, det idealiska kolmaterialet har en hög ytarea för lagring av elektriska laddningar, hög konduktivitet för transport av elektroner och en lämplig porarkitektur som möjliggör snabb rörelse av joner från elektrolytlösningen till kolytan. "

I experimentet, en ström applicerades på superkondensatorer utrustade med designer-kolelektroder.

Resultaten var dramatiska. Elektrisk konduktivitet förbättrades tre gånger jämfört med superkondensatorelektroder gjorda av konventionellt aktivt kol.

"Vi fann också att vårt designkol förbättrade hastigheten för kraftleverans och stabiliteten hos elektroderna, "Tillade Bao.

Batterier

Tester utfördes också på litium-svavelbatterier, en lovande teknik med en allvarlig brist:När litium och svavel reagerar, de producerar molekyler av litiumpolysulfid, som kan läcka från elektroden in i elektrolyten och få batteriet att gå sönder.

Stanford -teamet upptäckte att elektroder tillverkade av designkol kan fånga dessa irriterande polysulfider och förbättra batteriets prestanda.

"Vi kan enkelt designa elektroder med mycket små porer som tillåter litiumjoner att diffundera genom kolet men förhindrar att polysulfiderna läcker ut, "Sa Bao." Vårt designkol är enkelt att göra, relativt billig och uppfyller alla de kritiska kraven för högpresterande elektroder. "