Nanoflowers förbättrar ultrakondensatorer

Föreställ dig ett mobiltelefonbatteri som laddas på några sekunder och som du aldrig skulle behöva byta ut. Det är löftet om energilagringsenheter som kallas ultrakondensatorer, men för närvarande kan de bara lagra cirka 5 procent så mycket energi som litiumjonbatterier. Ett framsteg från forskare vid Research Institute of Chemical Defense, i Kina, kan öka ultrakondensatorernas förmåga att lagra energi.

Nanoflower power: En bild av ett transmissionselektronmikroskop visar en blomliknande nanopartikel av manganoxid avsatt i korsningen mellan korsade kolnanorör. Används som ett elektrodmaterial, kan denna nanorör-manganoxid-komposit förbättra energilagringsförmågan hos ultrakondensatorer, som visar sig vara kraftfulla, långvariga ersättningar för batterier.

En kondensator består av två elektroder med motsatta laddningar, ofta åtskilda av en isolator som hindrar elektroner från att hoppa direkt mellan dem. Forskarna har utvecklat en elektrod som kan lagra dubbelt så mycket laddning som elektroderna med aktivt kol som används i nuvarande ultrakondensatorer. Den nya elektroden innehåller blomformade manganoxidnanopartiklar avsatta på vertikalt odlade kolnanorör.

Elektroderna levererar fem gånger så mycket kraft som elektroder med aktivt kol, säger Hao Zhang, huvudförfattare till den Nanobokstäver papper som beskriver det nya verket. Elektrodens livslängd kan också jämföras med elektroderna för aktivt kol, säger Zhang: urladdning och laddning av elektroderna 20 000 gånger minskade kondensatorns energilagringskapacitet med endast 3 procent.

I en typisk ultrakondensator är två aluminiumelektroder upphängda i en elektrolyt. En spänning som appliceras på elektroderna separerar de positiva och negativa jonerna i elektrolyten, som attraheras av de motsatt laddade elektroderna. Hur mycket energi ultrakondensatorn kan lagra beror till stor del på elektrodernas yta: ju mer yta, desto mer utrymme för att lagra laddning. Att belägga elektroderna med aktivt kol ökar deras yta, eftersom en tesked av det porösa, svampliknande materialet har ungefär ytan på en fotbollsplan. Ultrakondensatorer kan lagra miljontals gånger mer energi än de små kondensatorer som används i elektroniska kretsar.

Men deras prestanda bleknar fortfarande vid sidan av batterierna, som lagrar energi med hjälp av kemiska reaktioner. Om jag gav dig en mobiltelefon med ett ultrakondensatorbatteri, skulle du aldrig byta ut batteriet, och du kunde ladda det på några sekunder, men det skulle bara räcka i en halvtimme, säger Joel schindall , professor i elektroteknik vid MIT.

Hittills har ultrakondensatorer begränsats till nischapplikationer som kräver hög effekt och snabb, repetitiv laddning. Till exempel ger enheterna snabba kraftutbrott till bussar, lastbilar och lätta tåg över korta sträckor, och bromsning fyller på dem. Om de kunde lagra mer energi skulle de dock kunna vara en kraftfull, långvarig ersättning för batterier i hybridelektriska fordon och bärbar elektronik.

Forskare har länge försökt öka energilagringen i ultrakondensatorer genom att förbättra elektroddesignen. Schindall och hans kollegor försöker göra elektroder belagda med kolnanorör, som har en större yta än aktivt kol och är utmärkta ledare. Andra forskargrupper använder bättre laddningslagrande material, såsom manganoxid och ledande polymerer.

Den nya elektroden kombinerar fördelarna med dessa två metoder. Först odlar forskarna en rad kolnanorör på en folie gjord av metallen tantal, som vanligtvis används i kondensatorer. Sedan odlar de 100 nanometer breda blomformade nanopartiklar direkt på arrayen. Nanorören växer mer eller mindre vertikalt, men de är inte särskilt styva och tenderar att falla över varandra. Nanoblommorna växer mestadels i förbindelserna mellan flera nanorör och har en stor yta (236 kvadratmeter per gram) jämfört med typiska partiklar av manganoxid.

Varje nanoblomma av manganoxid är direkt ansluten till tantalfolien via två eller flera elektronmotorvägar, kolnanorören, säger Gaoping Cao, Zhangs ledare för projektet. Detta överlägsna ledande nätverk möjliggör effektiv laddningstransport. När ström flyter genom tantalfolien överförs laddningar snabbt till och lagras i manganoxiden: elektroden lagrar dubbelt så mycket laddning som samma volym aktivt kol. Nanorörens höga ledningsförmåga kan också ge dem en större effekt än vad nuvarande ultrakondensatorer har, säger forskarna.

Sättet att odla manganoxid på kolnanorörsmatriser är nytt och har producerat vackra strukturer, säger Yury Gogotsi , en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid Drexel University. Gogotsi säger att det är ett attraktivt tillvägagångssätt att kombinera kolnanorörens höga ledningsförmåga med laddningslagringskapaciteten hos manganoxid. Men, tillägger han, det är inte praktiskt för stora volymer, såsom biltillämpningar, eftersom användningen av kolnanorörsarrayer och tantalfolie gör dem dyra.

Faktum är att, säger Schindall, kostnaden kan vara den främsta barriären för ultrakondensatorer med nanostrukturerade elektroder. De har hittat ett sätt att odla dessa strukturer, säger han, men nu måste de kunna odla dem tillräckligt tätt och tillräckligt ekonomiskt för att vara praktiska.

Dölj