20.02.2020 - University College London (UCL)

Durchbruch bei schnell ladenden, lang laufenden, biegsamen Energiespeichern

Stellen Sie sich vor, Sie brauchen nur zehn Minuten, um Ihr Elektroauto vollständig aufzuladen

Ein neuer biegsamer Superkondensator aus Graphen, der sich schnell und sicher auflädt und ein rekordverdächtiges Energieniveau für den Gebrauch über einen langen Zeitraum speichert, wurde von Forschern der UCL und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und demonstriert.

In der Phase des Proof-of-Concept zeigt es ein enormes Potenzial als tragbare Stromversorgung in verschiedenen praktischen Anwendungen, darunter Elektrofahrzeuge, Telefone und Wearable Technology.

Die in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlichte Entdeckung überwindet das Problem, mit dem sich Hochleistungs-Superkondensatoren, die sich schnell aufladen, konfrontiert sehen - dass sie normalerweise keine große Energiemenge auf kleinem Raum halten können.

Der Erstautor der Studie, Dr. Zhuangnan Li (UCL Chemistry), sagte: "Unser neuer Superkondensator ist äußerst vielversprechend für die Energiespeichertechnologie der nächsten Generation, entweder als Ersatz für die derzeitige Batterietechnologie oder für den Einsatz neben dieser, um dem Nutzer mehr Leistung zu bieten.

"Wir haben Materialien entwickelt, die unserem Superkondensator eine hohe Leistungsdichte - also die Geschwindigkeit, mit der er sich auf- und entladen kann - und eine hohe Energiedichte - also die Dauer seiner Betriebszeit - verleihen. Normalerweise kann man nur eine dieser Eigenschaften haben, aber unser Superkondensator bietet beides, was ein entscheidender Durchbruch ist.

"Außerdem kann sich der Superkondensator bis zu 180 Grad biegen, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird, und er verwendet keinen flüssigen Elektrolyten, was die Explosionsgefahr minimiert und ihn perfekt für die Integration in biegsame Telefone oder tragbare Elektronik macht.

Ein Team von Chemikern, Ingenieuren und Physikern arbeitete an dem neuen Design, das ein innovatives Graphenelektrodenmaterial mit Poren verwendet, deren Größe verändert werden kann, um die Ladung effizienter zu speichern. Diese Abstimmung maximiert die Energiedichte des Superkondensators auf einen Rekord von 88,1 Wh/L (Wattstunden pro Liter), was die höchste jemals für Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis gemeldete Energiedichte ist.

Eine ähnliche schnell aufladende kommerzielle Technologie hat eine relativ geringe Energiedichte von 5-8 Wh/L, und herkömmliche langsam aufladende, aber langlebige Bleibatterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, haben normalerweise 50-90 Wh/L.

Der vom Team entwickelte Superkondensator hat zwar eine vergleichbare Energiedichte wie der modernste Wert von Bleibatterien, aber seine Leistungsdichte ist mit über 10.000 Watt pro Liter um zwei Größenordnungen höher.

Der leitende Autor und Dekan der UCL Mathematik und Physik, Professor Ivan Parkin (UCL Chemie), sagte: "Die erfolgreiche Speicherung einer großen Menge an Energie in einem kompakten System ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer verbesserten Energiespeichertechnologie. Wir haben gezeigt, dass er sich schnell auflädt, dass wir seine Leistung kontrollieren können und dass er eine ausgezeichnete Haltbarkeit und Flexibilität hat, was ihn ideal für die Entwicklung für den Einsatz in miniaturisierter Elektronik und Elektrofahrzeugen macht. Stellen Sie sich vor, Sie brauchen nur zehn Minuten, um Ihr Elektroauto vollständig aufzuladen, oder ein paar Minuten für Ihr Telefon, und das den ganzen Tag lang".

Die Forscher stellten Elektroden aus mehreren Schichten von Graphen her, wodurch ein dichtes, aber poröses Material entstand, das in der Lage ist, geladene Ionen unterschiedlicher Größe einzufangen. Sie charakterisierten sie mit verschiedenen Techniken und stellten fest, dass sie am besten funktionierte, wenn die Porengrößen dem Durchmesser der Ionen im Elektrolyten entsprachen.

Das optimierte Material, das einen dünnen Film bildet, wurde zum Bau eines Proof-of-Concept-Geräts mit hoher Leistung und hoher Energiedichte verwendet.

Der 6 cm x 6 cm große Superkondensator wurde aus zwei identischen Elektroden hergestellt, die auf beiden Seiten einer gelartigen Substanz geschichtet waren, die als chemisches Medium für die Übertragung elektrischer Ladung fungierte. Dieser wurde für den Betrieb von Dutzenden von Leuchtdioden (LEDs) verwendet und erwies sich als äußerst robust, flexibel und stabil.

Selbst bei einer Biegung um 180 Grad war die Leistung fast dieselbe wie bei einer flachen Ausführung, und nach 5.000 Zyklen behielt sie 97,8 % ihrer Kapazität bei.

Der leitende Autor, Professor Feng Li (Chinesische Akademie der Wissenschaften), sagte: "In den nächsten dreißig Jahren wird sich die Welt der intelligenten Technologie beschleunigen, was die Kommunikation, den Transport und unser tägliches Leben stark verändern wird. Indem wir die Energiespeicherung intelligenter machen, werden die Geräte für uns unsichtbar, indem sie automatisch und interaktiv mit den Geräten arbeiten. Unsere intelligenten Zellen sind ein großartiges Beispiel dafür, wie das Nutzererlebnis verbessert werden könnte, und sie zeigen ein enormes Potenzial als tragbare Stromversorgung in zukünftigen Anwendungen.

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