Das Team entwickelt eine schnelle und kostengünstige Methode zur Herstellung von Superkondensatorelektroden für Elektroautos, Hochleistungslaser

Extra 3 vom 08.02.2018 | extra 3 | NDR (April 2019).

Anonim

Superkondensatoren sind ein treffend benannter Gerätetyp, der Energie schneller speichert und liefert als herkömmliche Batterien. Sie sind sehr gefragt für Anwendungen wie Elektroautos, drahtlose Telekommunikation und Hochleistungslaser.

Aber um diese Anwendungen zu realisieren, benötigen Superkondensatoren bessere Elektroden, die den Superkondensator mit den Geräten verbinden, die von ihrer Energie abhängen. Diese Elektroden müssen sowohl schneller als auch billiger in großem Maßstab hergestellt werden können und auch in der Lage sein, ihre elektrische Last schneller aufzuladen und zu entladen. Ein Team von Ingenieuren der University of Washington glaubt, dass sie ein Verfahren zur Herstellung von Superkondensator-Elektrodenmaterialien entwickelt haben, das diese strengen Industrie- und Gebrauchsanforderungen erfüllt.

Die Forscher, die von UW-Dozent für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, Peter Pauzauskie, geleitet wurden, veröffentlichten am 17. Juli in der Fachzeitschrift Nature Microsystems and Nanoengineering einen Artikel, in dem sie ihre Superkondensator-Elektrode und ihre schnelle und kostengünstige Art beschrieben. Ihre neuartige Methode beginnt mit kohlenstoffreichen Materialien, die zu einer niedrigdichten Matrix, einem Aerogel, getrocknet wurden. Dieses Aerogel allein kann als eine rohe Elektrode fungieren, aber Pauzauskies Team hat seine Kapazität mehr als verdoppelt, was seine Fähigkeit ist, elektrische Ladung zu speichern.

Diese kostengünstigen Ausgangsmaterialien, gekoppelt mit einem rationalisierten Syntheseverfahren, minimieren zwei häufige Barrieren für die industrielle Anwendung: Kosten und Geschwindigkeit.

"In industriellen Anwendungen ist Zeit Geld", sagte Pauzauskie. "Wir können die Ausgangsmaterialien für diese Elektroden in Stunden anstatt in Wochen herstellen. Und das kann die Synthesekosten für die Herstellung von Hochleistungs-Superkondensatorelektroden erheblich senken."

Effektive Superkondensatorelektroden werden aus kohlenstoffreichen Materialien synthetisiert, die auch eine große Oberfläche aufweisen. Die letztgenannte Anforderung ist kritisch wegen der einzigartigen Art und Weise, wie Superkondensatoren elektrische Ladung speichern. Während eine herkömmliche Batterie elektrische Ladungen über die darin auftretenden chemischen Reaktionen speichert, speichert und separiert ein Superkondensator stattdessen positive und negative Ladungen direkt auf seiner Oberfläche.

"Superkondensatoren können viel schneller reagieren als Batterien, da sie nicht durch die Geschwindigkeit der Reaktion oder durch Nebenprodukte, die sich bilden können, eingeschränkt sind", sagte Co-Lead-Autor Matthew Lim, ein UW-Doktorand in der Abteilung für Materialwissenschaften. "Superkondensatoren können sich sehr schnell aufladen und entladen, weshalb sie hervorragend dazu geeignet sind, diese Leistungsimpulse zu liefern."

"Sie eignen sich hervorragend für Umgebungen, in denen eine Batterie allein zu langsam ist", sagte Matthew Crane, Doktorand am UW Department of Chemical Engineering. "In Momenten, in denen eine Batterie zu langsam ist, um den Energiebedarf zu decken, könnte ein Superkondensator mit einer Elektrode mit großer Oberfläche schnell" einsteigen "und das Energiedefizit ausgleichen."

Um die große Oberfläche für eine effiziente Elektrode zu erhalten, verwendete das Team Aerogele. Dies sind feuchte, gelartige Substanzen, die eine spezielle Behandlung des Trocknens und Erhitzens durchlaufen haben, um ihre flüssigen Bestandteile durch Luft oder ein anderes Gas zu ersetzen. Diese Methoden bewahren die 3-D-Struktur des Gels und verleihen ihm eine hohe Oberfläche und eine extrem niedrige Dichte. Es ist so, als würde man das ganze Wasser aus dem Wackelpudding entfernen ohne zu schrumpfen.

"Ein Gramm Aerogel enthält ungefähr so ​​viel Fläche wie ein Fußballfeld", sagte Pauzauskie.

Crane fertigte Aerogele aus einem gelartigen Polymer, einem Material mit sich wiederholenden Struktureinheiten, das aus Formaldehyd und anderen kohlenstoffbasierten Molekülen hergestellt wurde. Dies stellte sicher, dass ihr Gerät, wie die heutigen Superkondensator-Elektroden, aus kohlenstoffreichen Materialien bestehen würde.

Zuvor hat Lim gezeigt, dass das Hinzufügen von Graphen - das eine Schicht aus nur einem Atom dickem Kohlenstoff ist - das Gel mit Superkondensatoreigenschaften durchtränkte. Aber Lim und Crane mussten die Leistung des Aerogels verbessern und den Synthesevorgang billiger und einfacher machen.

In Lims früheren Experimenten hatte die Zugabe von Graphen die Kapazität des Aerogels nicht verbessert. Also beluden sie stattdessen Aerogele mit dünnen Schichten aus Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid. Beide Chemikalien werden heute in industriellen Schmiermitteln häufig verwendet.

Die Forscher behandelten beide Materialien mit hochfrequenten Schallwellen, um sie zu dünnen Schichten aufzuspalten und in die kohlenstoffreiche Gelmatrix einzubauen. Sie konnten ein vollständig geladenes nasses Gel in weniger als zwei Stunden synthetisieren, während andere Methoden viele Tage benötigten.

Nachdem sie das getrocknete Aerogel mit niedriger Dichte erhalten hatten, kombinierten sie es mit Klebstoffen und einem anderen kohlenstoffreichen Material, um einen industriellen "Teig" zu schaffen, den Lim einfach zu Blättern ausbreiten konnte, die nur wenige Tausendstel Zoll dick waren. Sie schnitten Halb-Zoll-Scheiben aus dem Teig und montierten sie in einfache Knopfzellengehäuse, um die Wirksamkeit des Materials als Superkondensator-Elektrode zu testen.

Ihre Elektroden waren nicht nur schnell, einfach und einfach zu synthetisieren, sondern sie hatten auch eine um mindestens 127 Prozent größere Kapazität als das kohlenstoffreiche Aerogel allein.

Lim und Crane erwarten, dass Aerogele, die mit noch dünneren Schichten aus Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid beladen sind - deren etwa 10 bis 100 Atome dick sind - eine noch bessere Leistung zeigen würden. Aber zuerst wollten sie zeigen, dass geladene Aerogele schneller und billiger zu synthetisieren wären, ein notwendiger Schritt für die industrielle Produktion. Die Feinabstimmung kommt als nächstes.

Das Team glaubt, dass diese Bemühungen dazu beitragen können, die Wissenschaft auch außerhalb der Superkondensator-Elektroden zu fördern. Ihr Aerogel-suspendiertes Molybdändisulfid könnte ausreichend stabil bleiben, um die Wasserstoffproduktion zu katalysieren. Und ihre Methode, Materialien schnell in Aerogelen einzufangen, könnte auf Batterien mit hoher Kapazität oder Katalyse angewendet werden.

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