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Der neue Superkondensator aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhren kann mit Lithiumbatterien mithalten

2015-08-20
Ein internationales Forscherteam hat ein Rezept für einen flexiblen Energiespeicher im Mikromaßstab aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, der genug Energie speichern kann, um mit den Lithiumbatterien mit Goldstandard mithalten zu können. Dies ist von Bedeutung, da es sich bei dem Gerät eigentlich nicht um einen Akku handelt. Es ist ein Superkondensator, der viel schneller als ein Akku geladen und entladen werden kann.

Dies ist auch deshalb von Bedeutung, weil das Forscherteam eine Herstellungsmethode entwickelt hat, die zu einer langen Faser führt (die bisher 50 Meter lang war). das eröffnet die verschiedensten möglichkeiten, den neuen superkondensator in kleidung zu verweben, um tragbare elektronik zu betreiben. Da die Faser auch als Leiter fungiert, kann sie auch anstelle von Drähten verwendet werden, um die Größe und das Gewicht tragbarer Geräte, einschließlich medizinischer Implantate, zu verringern.

Batterien vs Superkondensatoren: ein kurzer Überblick

Batterien und Superkondensatoren speichern beide Energie, aber es gibt einen Haken. Batterien haben eine höhere Energiedichte, was bedeutet, dass sie Energie für längere Zeiträume speichern können, aber sie haben eine niedrige Energiedichte. Dies bedeutet, dass sie nicht schnell entladen werden können.

Superkondensatoren haben das gegenteilige Problem: Aufgrund ihrer geringen Energiedichte können sie nicht so viel Energie speichern, aber aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte können sie bei Bedarf schnell Energie liefern.

Der Trick zur Lösung des Problems der Energiedichte bei Superkondensatoren besteht darin, ein Material mit einem relativ hohen Oberflächenanteil für die Energiespeicherung zu finden.

Hier ist Graphen, das Nanomaterial des neuen Jahrtausends “Kommt ins Spiel. Als neues Material, das vor 10 Jahren entdeckt wurde, besteht Graphen aus einer Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist. Die zweidimensionale Struktur ist im Grunde alle Oberfläche, aber die notorisch pingeliges Graphen stellt eine ganze Reihe von Herausforderungen für die Umsetzung seiner Kräfte in Energiespeicher, Photovoltaik und andere Felder.

Zähmung von Graphen für einen Graphen / Kohlenstoff-Nanoröhren-Superkondensator

Der obige Schaltplan stammt aus einer Arbeit von 2009 Graphen / Kohlenstoff-Nanoröhren-Hybrid-Superkondensator von dingshang yu von der nanyang technology university in singapur und case westerns und laming dai, die auch mitglieder des aktuellen internationalen forschungsteams sind (china beteiligt sich auch über die tsinghua university).

Diese Arbeit hat ein großes Problem mit Graphen gelöst. Andere Versuche hatten gezeigt, dass der hybride Ansatz zwar vielversprechend war, das Graphen jedoch nicht zusammenarbeitete:

… Die meisten der oben genannten Techniken [zur Gewinnung eines Graphenfilms] leiden unter einem Mangel an Kontrolle der Filmarchitektur / -eigenschaft, was zum Verlust der Oberfläche für die Energiespeicherung aufgrund von führt Graphenaggregation. Für Energiespeicheranwendungen ist es daher äußerst wünschenswert, eindimensionale (1d) Kohlenstoffnanoröhren (cnts) zu verwenden, um 2d gns physikalisch zu trennen, um die große Oberfläche von Graphen zu erhalten.

Die Studie aus dem Jahr 2009 gelangte zu einem Selbstorganisationsprozess, um das Problem zu lösen, der zu einem Graphen / Kohlenstoff-Nanoröhren-Film führte.

eine hybride Superkondensatorfaser

Die aktuelle Studie, die von Yuan Chen von der Nayang Technology University geleitet und von Dai mitverfasst wurde, wurde gerade in veröffentlicht Natur Nanotechnologie . Hier erfahren Sie, wie das Team die Selbstmontagetechnik in eine lange Faser übersetzt hat:

Eine Lösung, die säureoxidierte einwandige Nanoröhren, Graphenoxid und Ethylendiamin enthält, die die Synthese fördert und Graphen mit Stickstoff versetzt, wird durch ein flexibles, schmales, verstärktes Rohr gepumpt, das als Kapillarsäule bezeichnet wird, und sechs Stunden lang in einem Ofen erhitzt.

Der Vorteil dieser Struktur ist die enorme verfügbare Oberfläche für Energiespeicher und Ladungsleitung, die sich auf stolze 396 Quadratmeter pro Gramm Faser beläuft.

Der günstige Vergleich zu Lithium zeigte sich in einem Festkörpermikrokondensator, den das Forscherteam aus zwei Graphen / Kohlenstoff-Nanoröhrenfasern zusammensetzte. mit einem Polyvinylalkohol / Phosphorsäuregel als Elektrolyt erreichte die Vorrichtung eine Dichte von 6,3 Mikrowattstunden pro Kubikmillimeter.

Nach Angaben des Forscherteams entspricht dies einer 4 Volt / 500 Mikroampere-Stunden-Dünnschicht-Lithiumbatterie.

Sie fanden auch etwas Interessantes über die Anordnung der Fasern. Wenn drei Faserpaare in einer Reihe angeordnet waren, verdreifachte sich die Spannung und die Zeit zum Laden / Entladen blieb gleich.

Wenn jedoch drei Paare parallel angeordnet sind, verdreifacht sich sowohl der Ausgangsstrom als auch die Lade- / Entladezeit.

Auch in Bezug auf Kosten und Lieferketten könnten sich einige wesentliche Vorteile ergeben. Kohlenstoffnanoröhren und Graphen sind im Vergleich zu Lithium billiger und leichter verfügbar.

Der Hybrid-Superkondensator bietet außerdem eine Unterstützung für günstige Kostenvergleiche und scheint eine wesentlich längere Lebensdauer zu haben als herkömmliche wiederaufladbare Batterien.

Das Team testete seinen Superkondensator bei 10.000 Lade- / Entladezyklen und erzielte eine Leistungserhaltung von rund 93 Prozent. Herkömmliche Akkus verlieren in der Regel an Leistung, bevor sie die 1.000-Zyklen-Marke erreichen.

Zum Abschluss behielten die Fasern ihre Leistung auch bei, wenn sie Flexibilitäts- und Stresstests unterzogen wurden.

Bleiben Sie dran, denn das Forschungsteam denkt auch darüber nach, ihre neuen Superkondensatoren auf Batterien, Solarzellen und mikrobielle Brennstoffzellen anzuwenden.

Weitere Informationen: www.greentechee.com

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