Ekipa razvija hitro in poceni način za izdelavo elektrod za supercapacitor za električne avtomobile, visoko zmogljive laserje

Anonim

Supercapacitors so aptly imenovan tip naprave, ki lahko shranjujejo in dostavljajo energijo hitreje kot običajne baterije. So v velikem povpraševanju po aplikacijah, vključno z električnimi avtomobili, brezžičnimi telekomunikacijami in visoko zmogljivimi laserji.

Toda za uresničitev teh aplikacij, supercapacitors potrebujejo boljše elektrode, ki povezujejo supercapacitor z napravami, ki so odvisne od njihove energije. Te elektrode morajo biti hitreje in cenejše v velikem obsegu in lahko hitreje napolnijo in izpraznijo svojo električno obremenitev. Ekipa inženirjev na Univerzi v Washingtonu meni, da so prišli do postopka za izdelavo materialov z elektropardnimi elektrodami, ki bodo izpolnjevali te stroge zahteve glede industrijskih in uporabnih snovi.

Raziskovalci, ki jih je vodil UW pomočnik profesorja materialov znanosti in inženiringa Peter Pauzauskie, je 17. julija objavil članek v reviji Nature Microsystems in Nanoengineering, ki opisuje njihovo supercapacitorno elektrodo in hitro in poceni način, kako so ga naredili. Njihova nova metoda se začne z materiali, bogatimi z ogljikom, ki so bili posušeni v matriko z nizko gostoto, ki se imenuje zračni gel. Ta zračni gel sam po sebi deluje kot surova elektroda, toda Pauzauskiejeva ekipa je več kot podvojila kapacitivnost, kar je njegova sposobnost shranjevanja električnega naboja.

Ti poceni izhodni materiali, skupaj s poenostavljenim sinteznim postopkom, zmanjšajo dve skupni oviri za industrijsko uporabo: stroške in hitrosti.

"Pri industrijskih aplikacijah je čas denar, " je dejal Pauzauskie. "Izhodne snovi za te elektrode lahko naredimo v urah, ne pa tednih. In to lahko znatno zmanjša sintezne stroške za izdelavo visoko zmogljivih elektrod za superoapakitore."

Učinkovite elektrode iz supercapacitorja so sintetizirane iz materialov, bogatih z ogljikom, ki imajo tudi veliko površino. Slednja zahteva je kritična zaradi edinstvenega načina, da supercapacitors hranijo električni naboj. Medtem ko običajna baterija shrani električne napetosti prek kemičnih reakcij, ki se pojavljajo v njej, supercapacitor namesto shranjuje in ločuje pozitivne in negativne bremenitve neposredno na površini.

"Superkapaciteti lahko delujejo veliko hitreje od baterij, ker niso omejeni s hitrostjo reakcije ali stranskih produktov, ki se lahko oblikujejo, " je povedal co-lead author Matthew Lim, doktorski študij UW na Oddelku za materialne vede in inženiring. "Supercapacitors se lahko zelo hitro napolnijo in izpraznijo, zato so odlični pri zagotavljanju teh" impulzov "moči."

"Imajo odlične aplikacije v okoljih, kjer je baterija sama po sebi prepočasna", je povedal vodilni avtor Matthew Crane, doktorski študent na UW Department of Chemical Engineering. "V trenutkih, ko je baterija prepočasna, da bi zadostila potrebam po energiji, bi lahko supercapacitor z visoko površinsko elektrodo hitro" brcnil "in nadomestil energetski primanjkljaj."

Da bi dobili visoko površino za učinkovito elektrodo, je ekipa uporabljala aerogele. To so mokre, gelaste snovi, ki so šle skozi posebno obdelavo sušenja in ogrevanja, da zamenjajo svoje tekoče sestavine z zrakom ali drugim plinom. Te metode ohranjajo 3-D strukturo gela, ki ji daje veliko površino in izjemno nizko gostoto. To je kot odstranjevanje celotne vode iz Jell-O brez krčenja.

"En gram zračnega zraka vsebuje približno toliko površine kot eno nogometno igrišče, " je dejal Pauzauskie.

Žerjav je izdelal aerogele iz gelastega polimera, materiala s ponavljajočimi strukturnimi enotami, ki so nastali iz formaldehida in drugih molekul na osnovi ogljika. To je zagotovilo, da bi bila njihova naprava, tako kot današnje elektrode s superpredstaviteljem, sestavljena iz materialov, bogatih z ogljikom.

Prej je Lim pokazal, da je dodajanje grafena, ki je ogljik s samo enim atomom, gelu prenehal nastati aerogel z lastnostmi supercapacitorja. Ampak, Lim in Crane so potrebni za izboljšanje zmogljivosti aerogelov in sintezni proces, ki je cenejši in lažji.

V predhodnih poskusih Lima dodajanje grafina ni izboljšalo kapacitivnosti aerosolov. Zato so namesto aerogelov naložili tanke liste bodisi disulfida molibdena ali volframovega disulfida. Obe kemikaliji danes uporabljata v industrijskih mazivih.

Raziskovalci so obdelali oba materiala z visoko frekvenčnimi zvočnimi valovi, ki so jih razkosali na tanke plošče in jih vključili v gel matriko, bogato z ogljikom. V manj kot dveh urah bi sintetizirali v celoti naloženi vlažni gel, medtem ko bi druge metode trajale več dni.

Po pridobitvi suhega aerogela z nizko gostoto so ga združili s lepili in drugim materialom, ki je bogat z ogljikom, in tako ustvaril industrijsko "testo", ki ga je Lim lahko preprosto pomaknil na liste le nekaj tisočinoma debeline. Izrežili so pol-palčne plošče iz testa in jih sestavili v preproste kovinske ohišja za kovinske celice, da bi testirali učinkovitost materiala kot elektrodo za supercapacitor.

Ne samo, da so bile njihove elektrode hitro, enostavno in enostavno sintetizirati, ampak so imele tudi kapacitivnost vsaj 127 odstotkov večja od aerogela, bogatega z ogljikom.

Lim in Crane pričakujejo, da bi aerogeli, polnjeni s še tanjšimi listi molibdenovega disulfida ali volframovega disulfida, bili debeli okoli 10 do 100 atomov - bi pokazali še boljše rezultate. Toda najprej so želeli pokazati, da bi bili naloženi aerogeli hitrejši in cenejši za sintezo, kar je potreben korak za industrijsko proizvodnjo. Sledi fino nastavljanje.

Ekipa verjame, da ta prizadevanja lahko pripomorejo k napredku znanosti tudi izven področja elektrod z supercapacitorjem. Njihov disulfid, suspendiran z aerosolom, bi lahko ostal dovolj stabilen, da bi kataliziral proizvodnjo vodika. In njihova metoda za hitro zataknitev materialov v aerogelih se lahko uporablja za visoko kapacitivne baterije ali katalizo.

menu
menu