Lite natrium räcker långt. Åtminstone är det fallet inom kolbaserad energiteknik. Specifikt, Att bädda in natrium i kolmaterial kan förbättra elektroderna enormt – vilket kan effektivisera produktionen av solceller och superkondensatorer.

En forskargrupp ledd av Yun Hang Hu, Charles och Carroll McArthur professor i materialvetenskap och teknik vid Michigan Tech, skapat ett helt nytt sätt att syntetisera natrium-inbäddade kolnanoväggar. Tidigare, materialet var endast teoretiskt och tidskriften Nanobokstäver nyligen publicerat denna uppfinning.

Bättre än grafen

Hög elektrisk ledningsförmåga och stor tillgänglig yta, som krävs för idealiska elektrodmaterial i energianordningar, står emot varandra i aktuella material. Amorft kol har låg ledningsförmåga men stor yta. Grafit, å andra sidan, har hög ledningsförmåga men låg yta. Tredimensionell grafen har det bästa av båda egenskaperna - och det natriuminbäddade kolet som uppfanns av Hu på Michigan Tech är ännu bättre.

"Natriuminbäddat kols ledningsförmåga är två storleksordningar större än tredimensionell grafen, " säger Hu. "Nanoväggsstrukturen, med alla dess kanaler och porer, har också en stor tillgänglig yta jämförbar med grafen."

Detta skiljer sig från metalldopat kol där metaller helt enkelt finns på ytan av kol och lätt oxideras; Att bädda in en metall i själva kolstrukturen hjälper till att skydda den. För att göra ett sådant drömmaterial, Hu och hans team var tvungna att skapa en ny process. De använde en temperaturkontrollerad reaktion mellan natriummetall och kolmonoxid för att skapa ett svart kolpulver som fångade natriumatomer. Vidare, i samarbete med forskare vid University of Michigan och University of Texas i Austin, de visade att natrium var inbäddat i kolet istället för att fästa på kolets yta.

Endast en liten mängd inbäddat natrium krävs för att leda till hög konduktivitet för kol med stor yta, vilket gör det till ett lovande elektrodmaterial för energienheter som färgsensibiliserade solceller och superkondensatorer.

Solceller

Färgsensibiliserade solceller (DSSC) är ett alternativ till de vanliga kiselbaserade panelerna för elproduktion från solljus. Platina är det aktuella motelektrodmaterialet för DSSC:er.

"Dock, natriuminbäddat kol är både billigare och mer effektivt än platina i dessa solceller, " säger Hu.

I den färgämnessensibiliserade solcellsvärlden, var tionde procent räknas för att göra enheter mer effektiva och kommersiellt gångbara. I studien, den platinabaserade solcellen nådde en effektomvandlingseffektivitet på 7,89 procent, som anses vara standard. I jämförelse, solcellen som använde Hus natriuminbäddat kol nådde verkningsgrader på 11,03 procent.

Superkondensator

Superkondensatorer kan acceptera och leverera laddningar mycket snabbare än laddningsbara batterier och är idealiska för bilar, tåg, hissar och annan tung utrustning. Kraften hos deras elektriska stans mäts i farads (F); materialets densitet, i gram (g), spelar också roll.

Aktivt kol används vanligtvis för superkondensatorer; den har en 71 F g ^-1 stansa. Tredimensionell grafen har mer kraft med en 112 F g ^-1 mått. Natriuminbäddat kol slår ut dem båda ur ringen med en 145 F g ^-1 mått. Plus, efter 5, 000 laddnings-/urladdningscykler, materialet behåller en kapacitet på 96,4 procent, vilket indikerar elektrodstabilitet.

Batterier och mer

Nästa steg i forskningen blir att bedöma materialet i andra energiapparater.

"I vår forskning, vi arbetar med både teori och experiment, ", säger Hu. "Detta ger oss en unik möjlighet att skapa nya material."

Hu säger att innovation inom energiutrustning är mycket efterfrågad. Han ser en ljus framtid för natriuminbäddat kol och de förbättringar det erbjuder inom solenergiteknik, batterier, bränsleceller, och superkondensatorer.