«

»

okt 29

Energiedichtheid supercondensator verbeterd met grafeen

Zonnecellen die 24×7 elektriciteit produceren en niet alleen wanneer de zon schijnt. Mobiele telefoons met ingebouwde energiecellen die je in een paar seconden kunt opladen en daarna weken lang kunt gebruiken of elektrische auto’s die binnen een minuut weer genoeg energie hebben om een paar duizend kilometer te kunnen rijden.

Dit zijn slechts twee van de mogelijkheden met een nieuw type supercondensator, uitgevonden door materiaal wetenschappers aan de Vanderbilt Universiteit. Het is de eerste uit silicium gebouwde supercondensator die kan worden geïntegreerd in de circuits op een silicium chip. In feite moet het mogelijk zijn om deze energiecellen op te bouwen uit het overtollige silicium dat in de huidige generatie zonnecellen, sensoren, mobiele telefoons en vele andere elektromechanische elementen achterblijft. Dit betekent een aanzienlijke kostenbesparing.

In plaats dat energie wordt opgeslagen via chemische reacties zoals dat in batterijen gebeurt, slaan de zogenoemde supercaps de lading op in de oppervlakte van een poreus materiaal. Het gevolg daarvan is dat het laden en ontladen zich afspeelt in minuten in plaats van uren en dit ook  miljoenen cycli blijft doen in plaats van enkele duizenden cycli zoals bij de huidige batterijen.

Deze eigenschappen hebben ​​het mogelijk gemaakt om commerciële supercondensatoren, die zijn gemaakt van actieve koolstof, op een aantal nichemarkten aan te bieden, zoals het opslaan van energie via een regeneratief remsysteem op bussen en elektrische voertuigen en het leveren van een zeer hoge capaciteit die kortstondig nodig is voor het wijzigen van de stand van de bladen van zeer grote windturbines aan de hand van veranderende windsnelheden. Supercondensatoren lopen nog steeds achter op de de opslagcapaciteit van lithium-ion batterijen, maar zijn bezig aan een grote inhaalslag.

Energiedichtheid van supercondensatoren bepaalt door grootte oppervlakte

Het onderzoek naar de verbetering van de energiedichtheid van supercondensatoren, heeft zich gericht op koolstof gebaseerde nano materialen zoals grafeen en nanobuisjes. Omdat deze apparaten de elektrische lading op het oppervlak van de elektroden opslaan, trok men de conclusie dat de energiedichtheid kan worden vergroot door het oppervlak groter te maken. Dit wordt bereikt door de oppervlakte te bekleden met ribbels en poriën op nanoschaal.
De moeilijkheid zit hem hierbij vooral in het samenstellen van dergelijke materialen. De bouw van high-performance, functionele apparaten op nanoschaal met enige mate van controle blijkt heel uitdagend te zijn en wanneer het dan lukt is het moeilijk dit te herhalen. Dus besloot men tot een andere aanpak met behulp van poreus silicium, gemaakt door het elektrochemisch etsen van het oppervlak van een silicium wafer.
Dit gaf de mogelijkheid om oppervlakken, met voor supercondensator elektroden optimale nano structuren, te creëren, maar dit veroorzaakte een groot probleem. Silicium wordt als ongeschikt geacht voor supercondensatoren, omdat het gemakkelijk reageert met enkele van de chemicaliën in de elektrolyten die de ionen leveren die de elektrische lading opslaan.
Met de ervaring die het onderzoeksteam had in het telen van koolstof nanostructuren, besloot men om het poreuze silicium oppervlak te coaten met koolstof. Normaal “kweekt” men grafeen van siliciumcarbide bij temperaturen boven 1400 graden Celsius. Maar bij lagere temperaturen – 600 tot 700 graden Celsius – had men niet verwacht een grafeen-achtig materiaal te kweken. Toen de onderzoekers de poreuze silicium uit de oven trokken, zag men dat de kleur was veranderd van oranje tot paars of zwart. Nadat ze het resultaat onder een krachtige elektronenmicroscoop hadden gescand,  zag men dan het vrijwel identiek was aan het oorspronkelijke materiaal maar dan bekleed met een laag grafeen van enkele nanometers dik.

Energiedichtheid met factor twee verbeterd

Tests van het gecoate materiaal toonden aan dat het silicium oppervlak chemisch gestabiliseerd was. Toen ze het gingen gebruiken om supercondensatoren te bouwen, ontdekten ze dat de grafeen coating de energiedichtheid met een factor twee verbeterde in vergelijking met materiaal gemaakt van ongecoate poreus silicium en significant beter dan commerciële supercondensatoren. De laag grafeen fungeert als een atomair dunne beschermlaag. De onderzoekers beweren dat deze aanpak zich niet beperkt tot grafeen. De mogelijkheid om oppervlakken te maken met atomair dunne lagen van materialen, gecombineerd met de controle die bereikt is in het ontwerpen van poreuze materialen, opent mogelijkheden voor een aantal verschillende toepassingen buiten energieopslag.

Silicium is een ideaal materiaal om op te richten omdat het de basis vormt van zo veel van onze moderne technologie en toepassingen.De onderzoekers ontwikkelen momenteel de energieopslag op basis van het ongebruikte silicium of de achterkant van zonnecellen en sensoren. De supercondensatoren kunnen het teveel aan gegenereerde elektrische energie opslaan en later in de piekuren weer afgeven.

Alle zaken die het leven in een moderne omgeving bepalen hebben elektriciteit nodig. Hoe meer men energieopslag kan integreren in de apparaten die de energie nodig hebben,  des te compacter en efficiënter ze zullen worden.

Over de auteur

Marcel

Marcel Adriaanse is eigenaar van deze blog grafeen.nl en elektrischeauto.com. Marcel is werkzaam als Project Manager van IT infrastructuur projecten vanuit zijn eigen bedrijf.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

De volgende HTML tags en attributen zijn toegestaan: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>