06/01/2021
Door Ad Spijkers
Een team aan de Technische Universität München (TUM) heeft een efficiënte supercondensator ontwikkelend die de prestaties van batterijen benaderd maar veel sneller is.
Energieopslag wordt meestal geassocieerd met batterijen en accu's die energie leveren aan elektronische apparaten. Naast batterijen worden er echter steeds meer supercondensatoren geïnstalleerd in laptops, camera's, mobiele telefoons en voertuigen. In tegenstelling tot batterijen kunnen ze snel grote hoeveelheden energie opslaan en even snel weer vrijgeven.
Een probleem met supercondensatoren tot dusver was hun lage energiedichtheid. Terwijl lithium-ionbatterijen een energiedichtheid bereiken van maximaal 265 Wh/kg leveren eerdere supercondensatoren slechts een tiende daarvan. Het team aan de TUM heeft een nieuw, hoogwaardig en duurzaam hybride grafeenmateriaal voor supercondensatoren ontwikkeld. Het dient als positieve elektrode in de energieopslag. De onderzoekers combineerden het met een beproefde, op titanium en koolstof gebaseerde negatieve elektrode.
Het nieuwe energieopslagapparaat behaalt een energiedichtheid tot 73 Wh/kg, wat ongeveer overeenkomt met de energiedichtheid van een nikkel-metaalhydride-accu. Maar met een vermogensdichtheid van 16 kW/kg levert het ook aanzienlijk meer dan de meeste andere supercondensatoren. Het geheim van de nieuwe supercondensator is de combinatie van verschillende materialen - daarom noemen chemici de supercondensator 'asymmetrisch'.
Hybride materialen
De natuur heeft de mechanische eigenschappen van botten en tanden, zoals hardheid of elasticiteit, geoptimaliseerd door verschillende materialen te combineren. It inspireerde het onderzoeksteam om basismaterialen te combineren tot supercondensatoren. Ze gebruikten chemisch gemodificeerd grafeen als basis voor de nieuwe positieve elektrode van het geheugen en combineerden dit met een nanogestructureerd metaal-organisch raamwerk, een zogenaamd metaal organisch raamwerk (MOF).
Bepalend voor de prestatie van grafeenhybriden zijn enerzijds een groot specifiek oppervlak en regelbare poriegroottes, anderzijds een hoge elektrische geleidbaarheid. De prestaties van het materiaal zijn gebaseerd op de combinatie van de microporeuze MOF met het geleidende grafeenzuur. Een groot oppervlak is belangrijk voor goede supercondensatoren; een overeenkomstig groot aantal ladingsdragers kan zich daar in een materiaal ophopen - dit is het basisprincipe van het opslaan van elektrische energie.
De onderzoekers slaagden erin om het grafeenzuur chemisch te koppelen aan de MOF's door slim materiaalontwerp. De resulterende hybride MOF's hebben zeer grote interne oppervlakken (tot 900 m2/g) en zijn efficiënt als positieve elektrode in een supercondensator.
Stabiele verbindingen
Maar dat is niet het enige voordeel van het nieuwe materiaal. Om een chemisch stabiele hybride te vormen, zijn sterke bindingen tussen de componenten nodig. De bindingen zijn dezelfde als die tussen aminozuren in eiwitten. De stabiele verbinding tussen de nanogestructureerde componenten heeft grote voordelen met betrekking tot de langetermijnstabiliteit van de condensatoren: hoe stabieler een verbinding is, hoe meer laad- en ontlaadcycli mogelijk zijn zonder de prestatie significant te verminderen.
Ter vergelijking: een klassieke lithium-ionbatterij heeft een levensduur van ongeveer 5000 cycli; de nieuwe cel van de TUM-onderzoekers behoudt zelfs na 10.000 cycli bijna 90 procent van zijn capaciteit.
Foto: Prof. Dr. J. Kolleboyina / IITJ