Superkondensatorer som utfordrer batterier

Vanligvis er energilagring assosiert med batterier og akkumulatorer som gir energi til elektroniske enheter. Imidlertid, i bærbare datamaskiner, kameraer, mobiltelefoner eller biler, blir superkondensatorer stadig oftere brukt.

I motsetning til batterier kan de raskt lagre store mengder energi og legge den ut like raskt. Hvis for eksempel et tog bremser når det kommer inn på stasjonen, lagrer superkondensatorer energien og gir den igjen når toget trenger mye energi igangkjøring.

Et problem med superkondensatorer til dags dato var imidlertid deres mangel på energitetthet. Mens litiumakkumulatorer når en energitetthet på opptil 265 kilowattimer (KW/t), har superkondensatorer hittil bare levert en tidel av disse.

Bærekraftig materiale gir høy ytelse
Teamet som jobber med TUM-kjemiker Roland Fischer har nå utviklet et nytt, kraftig og bærekraftig grafenhybridmateriale for superkondensatorer. Den fungerer som den positive elektroden i energilagringsenheten. Forskerne kombinerer den med en gjennomprøvd negativ elektrode basert på titan og karbon.

Den nye energilagringsenheten oppnår ikke bare en energitetthet på opptil 73 Wh/kg, som omtrent tilsvarer energitettheten til et nikkelmetallhydridbatteri, men fungerer også mye bedre enn de fleste andre superkondensatorer med en effekttetthet på 16 kW/kg. Hemmeligheten til den nye superkondensatoren er kombinasjonen av forskjellige materialer – derfor refererer kjemikere til superkondensatoren som «asymmetrisk.»

Naturen er forbilde
Forskerne satser på en ny strategi for å overvinne ytelsesgrensene til standardmaterialer; bruk av hybridmaterialer. – Naturen er full av svært komplekse, evolusjonsoptimaliserte hybridmaterialer – bein og tenner er eksempler. Deres mekaniske egenskaper, som hardhet og elastisitet, ble optimalisert gjennom kombinasjonen av forskjellige materialer, sier Roland Fischer.

Den abstrakte ideen om å kombinere grunnleggende materialer ble overført til superkondensatorer av forskerteamet. Som grunnlag brukte de den nye positive elektroden til lagringsenheten med kjemisk modifisert grafen og kombinerte den med et nanostrukturert metallorganisk rammeverk, en såkalt MOF.

Kraftig og stabil
Avgjørende for ytelsen til grafenhybrider er på den ene siden en stor spesifikk overflate og kontrollerbare porestørrelser og på den annen side en høy elektrisk ledningsevne.
– Materialets høye ytelsesegenskaper er basert på kombinasjonen av de mikroporøse MOF´ene med den ledende grafensyren, forklarer førsteforfatter Jayaramulu Kolleboyina, en tidligere gjesteforsker som jobbet med Roland Fischer.

En stor overflate er viktig for gode superkondensatorer. Det muliggjør samling av et henholdsvis stort antall ladebærere i materialet – dette er det grunnleggende prinsippet for lagring av elektrisk energi.

Gjennom dyktig materialdesign oppnådde forskerne å knytte grafensyren til MOF´ene. De resulterende hybrid MOF´ene har en veldig stor indre overflate på opptil 900 kvadratmeter per gram og er svært effektive som positive elektroder i en superkapasitor.

Lang stabilitet
Det er imidlertid ikke den eneste fordelen med det nye materialet. For å oppnå en kjemisk stabil hybrid, trenger man sterke kjemiske bindinger mellom komponentene. Bindingene er tilsynelatende de samme som mellom aminosyrer i proteiner, ifølge Fischer: – Vi har faktisk koblet grafensyren med en MOF-aminosyre, som skaper en type peptid-binding."

Den stabile forbindelsen mellom de nanostrukturerte komponentene har store fordeler når det gjelder langsiktig stabilitet: Jo mer stabile bindingene er, desto mer lading og utladning er mulig uten betydelig ytelsesreduksjon.

Til sammenligning: En klassisk litiumakkumulator har en levetid på rundt 5000 sykluser. Den nye cellen utviklet av TUM-forskerne beholder nær 90 prosent kapasitet selv etter 10 000 sykluser.

Internasjonalt nettverk av eksperter
Forskningen og utviklingen ble utført som et internasjonalt samarbeid, med eksperter fra India, Spania, Tsjekkia, USA og Australia.

Kilde: www.tum.de