Krachtig grafeen-hybride materiaal voor zeer efficiënte supercondensatoren

Een team dat samenwerkt met Roland Fischer, hoogleraar anorganische en metaalorganische chemie aan de Technische Universiteit München (TUM), heeft een zeer efficiënte supercondensator ontwikkeld. De basis van het energieopslagapparaat is een nieuw, krachtig en ook duurzaam hybride grafeenmateriaal dat vergelijkbare prestatiegegevens heeft als de momenteel gebruikte batterijen.

Gewoonlijk wordt energieopslag geassocieerd met batterijen en accu’s die energie leveren aan elektronische apparaten. In laptops, camera’s, gsm’s of voertuigen worden tegenwoordig echter steeds vaker zogenaamde supercondensatoren geïnstalleerd.

In tegenstelling tot batterijen kunnen ze snel grote hoeveelheden energie opslaan en even snel weer uitdoven. Remt een trein bijvoorbeeld bij het binnenrijden van het station, dan slaan supercondensatoren de energie op en leveren deze weer af als de trein bij het opstarten heel snel veel energie nodig heeft.

Een probleem met supercondensatoren tot nu toe was echter hun gebrek aan energiedichtheid. Terwijl lithiumaccumulatoren een energiedichtheid bereiken van maximaal 265 kilowattuur (KW / h), leverden supercondensatoren tot nu toe slechts een tiende daarvan.

Duurzaam materiaal zorgt voor hoge prestaties

Het team dat samenwerkt met TUM-chemicus Roland Fischer heeft nu een nieuw, krachtig en duurzaam grafeen-hybride materiaal ontwikkeld voor supercondensatoren. Het dient als de positieve elektrode in het energieopslagapparaat. De onderzoekers combineren het met een bewezen negatieve elektrode op basis van titaan en koolstof.

Het nieuwe energieopslagapparaat bereikt niet alleen een energiedichtheid tot 73 Wh / kg, wat ongeveer gelijk is aan de energiedichtheid van een nikkel-metaalhydride-accu, maar presteert ook veel beter dan de meeste andere supercondensatoren bij een vermogensdichtheid van 16. kW / kg. Het geheim van de nieuwe supercondensator is de combinatie van verschillende materialen – vandaar dat chemici de supercondensator ‘asymmetrisch’ noemen.

Hybride materialen: de natuur is het rolmodel

De onderzoekers wedden op een nieuwe strategie om de prestatielimieten van standaardmaterialen te overwinnen: ze gebruiken hybride materialen. “De natuur zit vol met zeer complexe, evolutionair geoptimaliseerde hybride materialen – botten en tanden zijn voorbeelden. Hun mechanische eigenschappen, zoals hardheid en elasticiteit, werden geoptimaliseerd door de combinatie van verschillende materialen door de natuur”, zegt Roland Fischer.

Het abstracte idee van het combineren van basismaterialen werd door het onderzoeksteam overgebracht naar supercondensatoren. Als basis gebruikten ze de nieuwe positieve elektrode van de opslageenheid met chemisch gemodificeerd grafeen en combineerden deze met een nanogestructureerd metalen organisch raamwerk, een zogenaamde MOF.

Krachtig en stabiel

Bepalend voor de prestatie van grafeenhybriden zijn enerzijds een groot specifiek oppervlak en controleerbare poriegroottes en anderzijds een hoge elektrische geleidbaarheid. “De hoge prestaties van het materiaal zijn gebaseerd op de combinatie van de microporeuze MOF’s met het geleidende grafeenzuur”, legt eerste auteur Jayaramulu Kolleboyina uit, een voormalig gastwetenschapper die samenwerkt met Roland Fischer.

Een groot oppervlak is belangrijk voor goede supercondensatoren. Het maakt het mogelijk een respectievelijk groot aantal ladingsdragers in het materiaal op te vangen – dit is het basisprincipe voor de opslag van elektrische energie.

Door bekwaam materiaalontwerp bereikten de onderzoekers de prestatie om het grafeenzuur te koppelen aan de MOF’s. De resulterende hybride MOF’s hebben een zeer groot binnenoppervlak tot wel 900 vierkante meter per gram en presteren uitstekend als positieve elektroden in een supercondensator.

Lange stabiliteit

Dat is echter niet het enige voordeel van het nieuwe materiaal. Om een ​​chemisch stabiele hybride te verkrijgen, heeft men sterke chemische bindingen tussen de componenten nodig. De bindingen zijn blijkbaar dezelfde als die tussen aminozuren in eiwitten, aldus Fischer: “In feite hebben we het grafeenzuur met een MOF-aminozuur verbonden, waardoor een soort peptidebinding ontstaat.”

De stabiele verbinding tussen de nanogestructureerde componenten heeft enorme voordelen in termen van stabiliteit op lange termijn: hoe stabieler de verbindingen, hoe meer laad- en ontlaadcycli mogelijk zijn zonder significante prestatieverlies.

Ter vergelijking: een klassieke lithiumaccu heeft een levensduur van ongeveer 5.000 cycli. De nieuwe cel ontwikkeld door de TUM-onderzoekers behoudt bijna 90 procent capaciteit, zelfs na 10.000 cycli.

Internationaal netwerk van experts

Fischer benadrukt hoe belangrijk de ongebreidelde internationale samenwerking die de onderzoekers zelf controleerden, was bij de ontwikkeling van de nieuwe supercondensator. Dienovereenkomstig bouwde Jayaramulu Kolleboyina het team. Hij was een gastwetenschapper uit India, uitgenodigd door de Alexander von Humboldt Foundation en die inmiddels het hoofd is van de scheikunde-afdeling van het pas opgerichte Indian Institute of Technology in Jammu.

“Ons team werkte ook samen met experts op het gebied van elektrochemie en batterijonderzoek in Barcelona, ​​en met experts op het gebied van grafeenderivaten uit Tsjechië”, meldt Fischer. “Bovendien hebben we geïntegreerde partners uit de VS en Australië. Deze prachtige, internationale samenwerking belooft veel voor de toekomst.”