Team utvikler rask, billig metode for å lage superkapasitorelektroder for elektriske biler, kraftige lasere

Anonim

Supercapacitors er en passende navngitt type enhet som kan lagre og levere energi raskere enn vanlige batterier. De har stor etterspørsel etter applikasjoner, inkludert elektriske biler, trådløs telekommunikasjon og kraftige lasere.

Men for å realisere disse applikasjonene, trenger superkapacitorer bedre elektroder, som kobler superkapacitoren til enheter som er avhengige av deres energi. Disse elektrodene må være både raskere og billigere å gjøre i stor skala og også i stand til å lade og utladere sin elektriske last raskere. Et team av ingeniører ved University of Washington mener at de har kommet opp med en prosess for produksjon av superkapacitorelektroder som tilfredsstiller disse strenge industrielle og bruksbehov.

Forskerne, ledet av UW assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap Peter Pauzauskie, publiserte et papir den 17. juli i tidsskriftet Nature Microsystems og Nanoengineering som beskriver deres superkapacitorelektrode og den raske og rimelige måten de gjorde det på. Deres nye metode starter med karbonrike materialer som har blitt tørket inn i en lavdensitetsmatrise kalt et luftgel. Dette airgelet kan i seg selv fungere som en rå elektrode, men Pauzauskies lag mer enn doblet kapasitansen, som er evnen til å lagre elektrisk ladning.

Disse billige utgangsmaterialene, kombinert med en strømlinet synteseprosess, minimerer to vanlige barrierer for industriell bruk: kostnad og hastighet.

"I industrielle applikasjoner er tiden penger, " sa Pauzauskie. "Vi kan lage utgangsmaterialene for disse elektrodene i timer, i stedet for uker. Og det kan betydelig redusere syntesekostnaden for å lage høyytelses superkapacitorelektroder."

Effektive superkapasitetselektroder syntetiseres fra karbonrike materialer som også har et høyt overflateareal. Det sistnevnte kravet er kritisk på grunn av den unike måten superkapacitorer lagrer elektrisk ladning. Mens en konvensjonell batteri lagrer elektriske ladninger via de kjemiske reaksjonene som forekommer i det, lagrer og superkonditorer i stedet og adskiller positive og negative ladninger direkte på overflaten.

"Supercapacitors kan virke mye raskere enn batterier fordi de ikke er begrenset av hastigheten på reaksjonen eller biprodukter som kan danne seg, " sa medforfatter Matthew Lim, en UW doktorand i Institutt for materialteknologi. "Supercapacitors kan lade opp og utslipp veldig raskt, og derfor er de gode til å levere disse" pulser "av kraft."

"De har flotte applikasjoner i innstillinger der et batteri i seg selv er for sakte, " sa lederen forfatter Matthew Crane, doktorgradsstudent i UW Department of Chemical Engineering. "I et øyeblikk hvor et batteri er for sakte for å møte energibehovene, kan en superkapasitor med en høy overflateelektrode raskt koble til og gjøre opp for energiforbruket."

For å få det høye arealet for en effektiv elektrode brukte teamet aerogels. Dette er våte, gelignende stoffer som har gjennomgått en spesiell behandling av tørking og oppvarming for å erstatte deres flytende komponenter med luft eller annen gass. Disse metodene opprettholder gelens 3-D struktur, noe som gir et høyt overflateareal og ekstremt lav tetthet. Det er som å fjerne alt vannet ut av Jell-O uten å krympe.

"Ett gram airgel inneholder omtrent like mye overflate som ett fotballbane, " sa Pauzauskie.

Kran laget aerogeler fra en gelignende polymer, et materiale med gjentatte strukturelle enheter, laget av formaldehyd og andre karbonbaserte molekyler. Dette sørget for at enheten, som dagens superkapasitetselektroder, ville bestå av karbonrike materialer.

Tidligere demonstrerte Lim at tilsetning av grafen-som er et ark med karbon, bare ett atom tykt til gelen, som resulterte i det resulterende luftgelet med superkapasitoregenskaper. Men, Lim og Crane trengte å forbedre airgelens ytelse, og gjøre synteseprosessen billigere og enklere.

I Lims tidligere eksperimenter hadde ikke tilsatt grafen forbedret luftgelens kapasitans. Så de lastet i stedet aerogeler med tynne ark av enten molybdendisulfid eller wolframdisulfid. Begge kjemikaliene brukes mye i dag i industrielle smøremidler.

Forskerne behandlet begge materialene med høyfrekvente lydbølger for å bryte dem opp i tynne ark og innlemmet dem i den karbonrike gelmatrisen. De kunne syntetisere en fullt lastet våt gel på mindre enn to timer, mens andre metoder ville ta mange dager.

Etter å ha oppnådd den tørkede luftdensiteten med lav densitet kombinerte de den med lim og annet karbonrikt materiale for å lage en industriell "deig", som Lim bare kunne rulle ut til ark bare noen få tusen tyve tommer tykk. De kuttet halvtimens plater fra deigen og monterte dem i enkle myntcellebatterier for å teste materialets effektivitet som en superkapacitorelektrode.

Ikke bare var elektrodene deres raske, enkle og enkle å syntetisere, men de hadde også en kapasitans på minst 127 prosent større enn det karbonrike luftgelet alene.

Lim og kran forventer at aerogeler lastet med enda tynnere ark molybdendisulfid eller wolframdisulfid-deres var ca. 10 til 100 atomer tykke - ville vise en enda bedre ytelse. Men først ønsket de å vise at lastede aerogeler ville bli raskere og billigere å syntetisere, et nødvendig skritt for industriproduksjon. Finjusteringen kommer neste.

Teamet mener at disse anstrengelsene kan bidra til å fremme vitenskapen selv utenfor riket til superkapacitorelektroder. Deres luftgel-suspendert molybdendisulfid kan forbli tilstrekkelig stabilt for å katalysere hydrogenproduksjon. Og deres metode for å fange materialer raskt i aerogels kan brukes på høykapasitetsbatterier eller katalyse.

menu
menu