Gedraaide koolstofnanobuizen kunnen een aanzienlijk betere energieopslag bereiken dan geavanceerde lithium-ionbatterijen

Een internationaal team van wetenschappers, waaronder twee onderzoekers die nu werken in het Center for Advanced Sensor Technology (CAST) bij UMBC, heeft aangetoond dat gedraaide koolstofnanotubes drie keer meer energie per eenheidsmassa kunnen opslaan dan geavanceerde lithium-ionbatterijen. De bevinding kan koolstofnanotubes verder ontwikkelen als een veelbelovende oplossing voor het opslaan van energie in apparaten die lichtgewicht, compact en veilig moeten zijn, zoals medische implantaten en sensoren. Het onderzoek werd gepubliceerd onlangs in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Sanjeev Kumar Ujjain, van CAST, was een hoofdonderzoeker van het werk. Hij begon het project toen hij aan de Shinshu University in Nagano, Japan, zat en ging ermee door nadat hij in 2022 bij UMBC aankwam. Preety Ahuja, van CAST, droeg ook bij aan de aspecten van materiaalkarakterisering van het onderzoek.

De onderzoekers bestudeerden enkelwandige koolstofnanotubes, die lijken op rietjes gemaakt van pure koolstofplaten van slechts 1 atoom dik. Koolstofnanotubes zijn lichtgewicht, relatief eenvoudig te produceren en ongeveer 100 keer sterker dan staal. Hun verbazingwekkende eigenschappen hebben wetenschappers ertoe aangezet hun potentiële gebruik in een breed scala aan futuristisch klinkende technologieën te onderzoeken, waaronder ruimteliften.

Om koolstofnanobuisjes te onderzoeken’ potentieel voor het opslaan van energie, de UMBC-onderzoekers en hun collega’s vervaardigden koolstofnanobuis “touwen” van bundels van commercieel verkrijgbare nanobuizen. Nadat ze de buizen tot een enkele draad hadden getrokken en gedraaid, bedekten de onderzoekers ze met verschillende stoffen die bedoeld waren om de touwen te vergroten’ kracht en flexibiliteit.

Het team testte hoeveel energie de touwen konden opslaan door ze omhoog te draaien en de energie te meten die vrijkwam als de touwen werden afgewikkeld. Ze ontdekten dat de best presterende touwen 15.000 keer meer energie per eenheid massa konden opslaan dan stalen veren, en ongeveer drie keer meer energie dan lithium-ionbatterijen.

De opgeslagen energie blijft consistent en toegankelijk bij temperaturen van -76 tot +212 °F (-60 tot +100 °C). De materialen in de koolstofnanotube-touwen zijn ook veiliger voor het menselijk lichaam dan die welke in batterijen worden gebruikt.

“Mensen slaan al lang energie op in mechanische spiraalveren om apparaten zoals horloges en speelgoed van stroom te voorzien,” zegt Kumar Ujjain. “Dit onderzoek toont aan dat gedraaide koolstofnanotubes een groot potentieel hebben voor mechanische energieopslag, en we zijn verheugd om het nieuws met de wereld te delen.”

Hij zegt dat het CAST-team al bezig is met het integreren van gedraaide koolstofnanobuisjes als energiebron voor een prototype-sensor die ze ontwikkelen.