211service.com
Nanoflowers verbeteren ultracondensatoren
Stelt u zich eens een batterij van een mobiele telefoon voor die in een paar seconden wordt opgeladen en die u nooit hoeft te vervangen. Dat is de belofte van energieopslagapparaten die bekend staan als ultracondensatoren, maar op dit moment kunnen ze slechts ongeveer 5 procent zoveel energie opslaan als lithium-ionbatterijen. Een vooruitgang door onderzoekers van het Research Institute of Chemical Defense, in China, zou het vermogen van ultracondensatoren om energie op te slaan kunnen vergroten.
Nanoflower-kracht: Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding toont een bloemachtig mangaanoxide-nanodeeltje dat is afgezet op de kruising van gekruiste koolstofnanobuizen. Gebruikt als elektrodemateriaal, zou deze nanobuis-mangaan-oxide-composiet het energieopslagvermogen van ultracondensatoren kunnen verbeteren, die veelbelovend zijn als krachtige, duurzame vervangingen voor batterijen.
Een condensator bestaat uit twee elektroden met tegengestelde ladingen, vaak gescheiden door een isolator die ervoor zorgt dat elektronen er niet direct tussen kunnen springen. De onderzoekers hebben een elektrode ontwikkeld die twee keer zoveel lading kan opslaan als de actieve koolelektroden die in huidige ultracondensatoren worden gebruikt. De nieuwe elektrode bevat bloemvormige mangaanoxide-nanodeeltjes die zijn afgezet op verticaal gegroeide koolstofnanobuisjes.
De elektroden leveren vijf keer zoveel vermogen als actieve-koolelektroden, zegt Hao Zhang, hoofdauteur van de Nano-letters document waarin het nieuwe werk wordt beschreven. De levensduur van de elektrode is ook vergelijkbaar met die van actieve-koolelektroden, zegt Zhang: het 20.000 keer ontladen en opladen van de elektroden verminderde de energieopslagcapaciteit van de condensator met slechts 3 procent.
In een typische ultracondensator zijn twee aluminiumelektroden opgehangen in een elektrolyt. Een spanning die op de elektroden wordt aangelegd, scheidt de positieve en negatieve ionen in de elektrolyt, die worden aangetrokken door de tegengesteld geladen elektroden. Hoeveel energie de ultracondensator kan opslaan, hangt grotendeels af van het oppervlak van de elektroden: hoe meer oppervlakte, hoe meer ruimte om lading op te slaan. Door de elektroden te coaten met actieve kool wordt hun oppervlak vergroot, aangezien een theelepel van het poreuze, sponsachtige materiaal ongeveer het oppervlak van een voetbalveld heeft. Ultracondensatoren kunnen miljoenen keren meer energie opslaan dan de kleine condensatoren die in elektronische circuits worden gebruikt.
Maar hun prestatie verbleekt nog steeds naast die van batterijen, die energie opslaan door middel van chemische reacties. Als ik je een mobiele telefoon met een ultracondensatorbatterij zou geven, zou je de batterij nooit vervangen en zou je hem in een paar seconden kunnen opladen, maar het zou maar een half uur duren, zegt Joel Schindall , een professor elektrotechniek aan het MIT.
Tot nu toe waren ultracondensatoren beperkt tot nichetoepassingen die een hoog vermogen en snel, herhaaldelijk opladen vereisen. De apparaten leveren bijvoorbeeld snelle stroomstoten aan bussen, vrachtwagens en lightrailtreinen over korte afstanden, en door te remmen worden ze weer aangevuld. Als ze echter meer energie zouden kunnen opslaan, zouden ze een krachtige, duurzame vervanging kunnen zijn voor batterijen in hybride elektrische voertuigen en draagbare elektronica.
Onderzoekers hebben lang geprobeerd de energieopslag in ultracondensatoren te stimuleren door het ontwerp van de elektroden te verbeteren. Schindall en zijn collega's proberen elektroden te maken die zijn gecoat met koolstofnanobuisjes, die een groter oppervlak hebben dan actieve kool en uitstekende geleiders zijn. Andere onderzoeksgroepen gebruiken materialen die de lading beter opslaan, zoals mangaanoxide en geleidende polymeren.
De nieuwe elektrode combineert de voordelen van deze twee methoden. Eerst kweken de onderzoekers een reeks koolstofnanobuisjes op een folie gemaakt van het metaal tantaal, dat veel wordt gebruikt in condensatoren. Vervolgens groeien ze 100 nanometer brede bloemvormige nanodeeltjes direct op de array. De nanobuisjes groeien min of meer verticaal, maar ze zijn niet erg stijf en hebben de neiging om over elkaar heen te vallen. De nanobloemen groeien meestal op de kruispunten van meerdere nanobuisjes en hebben een groot oppervlak (236 vierkante meter per gram) vergeleken met typische deeltjes van mangaanoxide.
Elke nanobloem van mangaanoxide is rechtstreeks verbonden met de tantaalfolie door twee of meer elektronensnelwegen, de koolstofnanobuisjes, zegt Gaoping Cao, Zhangs medeleider van het project. Dit superieur geleidende netwerk zorgt voor een efficiënt ladingtransport. Wanneer er stroom door de tantaalfolie stroomt, worden ladingen snel overgebracht naar en opgeslagen in het mangaanoxide: de elektrode slaat twee keer zoveel lading op als hetzelfde volume actieve kool. De hoge geleidbaarheid van de nanobuisjes zou ze ook een groter vermogen kunnen geven dan de huidige ultracondensatoren, zeggen de onderzoekers.
De manier om mangaanoxide op koolstofnanobuisarrays te laten groeien is nieuw en heeft prachtige structuren opgeleverd, zegt Yury Gogotsi , een professor materiaalwetenschap en techniek aan de Drexel University. Gogotsi zegt dat het een aantrekkelijke benadering is om de hoge geleidbaarheid van de koolstofnanobuisjes te combineren met de ladingsopslagcapaciteit van mangaanoxide. Maar, voegt hij eraan toe, het is niet praktisch voor grote volumes, zoals toepassingen in de auto-industrie, omdat het gebruik van koolstofnanobuisjes en tantaalfolie ze duur maakt.
Volgens Schindall zouden de kosten inderdaad de belangrijkste barrière kunnen zijn voor ultracondensatoren met nanogestructureerde elektroden. Ze hebben een manier gevonden om deze structuren te laten groeien, zegt hij, maar nu moeten ze ze dicht genoeg en economisch genoeg kunnen laten groeien om praktisch te zijn.