Grafenhybrid gjord av metallorganiska ramverk (MOF) och grafensyra är en utmärkt positiv elektrod för superkondensatorer, som därmed uppnår en energitäthet som liknar den för nickel-metallhydridbatterier. Kredit:Prof. Dr. J. Kolleboyina/IITJ
Ett team som arbetar med Roland Fischer, Professor i oorganisk och metall-organisk kemi vid Tekniska universitetet i München (TUM) har utvecklat en mycket effektiv superkondensator. Grunden för energilagringsanordningen är en roman, kraftfullt och även hållbart grafenhybridmaterial som har jämförbara prestandadata med för närvarande använda batterier.
Vanligtvis, energilagring förknippas med batterier och ackumulatorer som ger energi till elektroniska enheter. Dock, i bärbara datorer, kameror, mobiltelefoner eller fordon, så kallade superkondensatorer installeras allt oftare nu för tiden.
Till skillnad från batterier kan de snabbt lagra stora mängder energi och släcka den lika snabbt. Om, till exempel, ett tåg bromsar när det kommer in på stationen, superkondensatorer lagrar energin och ger den igen när tåget behöver mycket energi mycket snabbt när det startar.
Dock, ett problem med superkondensatorer hittills var deras brist på energitäthet. Medan litiumackumulatorer når en energitäthet på upp till 265 kilowattimmar (KW/h), superkondensatorer har hittills bara levererat en tiondel av dem.
Hållbart material ger hög prestanda
Teamet som arbetar med TUM-kemisten Roland Fischer har nu utvecklat en roman, kraftfullt såväl som hållbart grafenhybridmaterial för superkondensatorer. Den fungerar som den positiva elektroden i energilagringsenheten. Forskarna kombinerar den med en beprövad negativ elektrod baserad på titan och kol.
Den nya energilagringsenheten uppnår inte bara en energitäthet på upp till 73 Wh/kg, vilket är ungefär lika med energitätheten hos ett nickelmetallhydridbatteri, men presterar också mycket bättre än de flesta andra superkondensatorer vid en effekttäthet på 16 kW/kg. Hemligheten med den nya superkondensatorn är kombinationen av olika material—därav, kemister hänvisar till superkondensatorn som "asymmetrisk".
Grafenhybrider gjorda av metallorganiska ramverk (MOF) och grafensyra är en utmärkt positiv elektrod för superkondensatorer, som därmed uppnår en energitäthet som liknar den för nickel-metallhydridbatterier. Kredit:Prof. Dr. Jayaramulu Kolleboyina/IITJ
Hybridmaterial:Naturen är förebilden
Forskarna satsar på en ny strategi för att övervinna prestandagränserna för standardmaterial – de använder hybridmaterial. "Naturen är full av mycket komplexa, evolutionärt optimerade hybridmaterial – ben och tänder är exempel. Deras mekaniska egenskaper, såsom hårdhet och elasticitet optimerades genom kombinationen av olika material av naturen, säger Roland Fischer.
Den abstrakta idén att kombinera basmaterial överfördes till superkondensatorer av forskargruppen. Som grund, de använde den nya positiva elektroden i lagringsenheten med kemiskt modifierad grafen och kombinerade den med en nanostrukturerad metallorganisk ram, en så kallad MOF.
Kraftfull och stabil
Avgörande för prestanda hos grafenhybrider är å ena sidan en stor specifik yta och kontrollerbara porstorlekar och å andra sidan en hög elektrisk ledningsförmåga. "Materialets höga prestandaförmåga är baserad på kombinationen av de mikroporösa MOF:erna med den ledande grafensyran, " förklarar första författaren Jayaramulu Kolleboyina, en tidigare gästforskare som arbetar med Roland Fischer.
En stor yta är viktig för bra superkondensatorer. Det möjliggör insamling av ett stort antal laddningsbärare inom materialet – detta är grundprincipen för lagring av elektrisk energi.
Genom skicklig materialdesign, forskarna uppnådde bedriften att koppla ihop grafensyran med MOF:erna. De resulterande hybrid-MOF:erna har en mycket stor inre yta på upp till 900 kvadratmeter per gram och är högpresterande som positiva elektroder i en superkondensator.
Grafenhybrider gjorda av metallorganiska ramverk (MOF) och grafensyra är en utmärkt positiv elektrod för superkondensatorer, som därmed uppnår en energitäthet som liknar den för nickel-metallhydridbatterier. Den svarta färgen indikerar hög elektronrörlighet i materialet. Kredit:Prof. Dr. J. Kolleboyina / IITJ
Lång stabilitet
Dock, det är inte den enda fördelen med det nya materialet. För att uppnå en kemiskt stabil hybrid, man behöver starka kemiska bindningar mellan komponenterna. Bindningarna är tydligen desamma som mellan aminosyror i proteiner, enligt Fischer:"Faktiskt, vi har kopplat ihop grafensyran med en MOF-aminosyra, som skapar en typ av peptidbindning."
Den stabila kopplingen mellan de nanostrukturerade komponenterna har stora fördelar när det gäller långsiktig stabilitet:Ju stabilare bindningar, desto fler laddnings- och urladdningscykler är möjliga utan betydande prestandaförsämring.
Som jämförelse:En klassisk litiumackumulator har en livslängd på cirka 5, 000 cykler. Den nya cellen som utvecklats av TUM-forskarna behåller nära 90 procent kapacitet även efter 10, 000 cykler.
Internationellt nätverk av experter
Fischer understryker hur viktigt det ohämmade internationella samarbetet forskarna själva kontrollerade var när det gällde utvecklingen av den nya superkondensatorn. Följaktligen, Jayaramulu Kolleboyina byggde laget. Han var en gästforskare från Indien som bjudits in av Alexander von Humboldt Foundation och som vid det här laget är chef för kemiavdelningen vid det nyinrättade Indian Institute of Technology i Jammu.
"Vårt team nätverkade också med elektrokemi och batteriforskningsexperter i Barcelona samt grafenderivatexperter från Tjeckien, " rapporterar Fischer. "Dessutom, vi har integrerade partners från USA och Australien. denna underbara, internationellt samarbete lovar mycket för framtiden."
