De supercondensator van de TUM-onderzoekers komt qua energiedichtheid in de buurt van nikkel/metaalhydride-batterijen en loodaccu’s (afb: TUM)
Supercondensatoren worden allang gezien als alternatief voor batterijen om (overtollige) energie mee op te slaan, maar (b)leken hun ‘roem’ nooit te kunnen waarmaken. Nu zeggen onderzoekers van de tu van München een type supercondensator te hebben ontwikkeld die de strijd met zijn concurrenten aan zou kunnen. Het veelbesproken grafeen (een bijzondere verschijningsvorm van koolstof) zou uitkomst hebben gebracht en MOF.
Accu’s en batterijen worden het meest gebruikt om (elektrische) energie op te slaan. Supercondensatoren kunnen dat ook en hebben het voordeel dat ze die energie snel kunnen opslaan en ook snel weer kunnen afgeven. Zo worden bij treinen supercondensatoren gebruikt om energie op te slaan bij het afremmen. Die wordt dan weer gebruikt bij het wegrijden (bijvoorbeeld). Het probleem van supercondensatoren zou liggen in de lage energiedichtheid die je daarmee kunt opslaan. Die zou eentiende zijn van die van de beste lithiumbatterijen.
Onderzoekers rond Roland Fischer van de tu München schijnen met een hybride grafeenmateriaal dat manco te hebben weggewerkt, of althans deels. Dat materiaal fungeert als als positieve pool in de supercondensator. De negatieve pool bestaat uit titaan en koolstof.
73 Wu/kg
De energiedichtheid, uitgedrukt in Wattuur per kilogram, zou 73 bedragen. Volgens de onderzoekers is dat net zoiets als een nikkel/metaalhydride-batterij of loodaccu, maar duidelijk beter dan die van ‘conventionele’ supercondensatoren, maar altijd nog minder dan van een lithiumionbatterij (250 Wu/kg volgens de Wikipedia). “In de natuur vind je tal van erg complexe, evolutionair geoptimaliseerde materialen zoals tanden en botten”, zegt Fischer. “De mechanische eigenschappen daarvan, zoals hardheid of elasticiteit, zijn geoptimaliseerd in de natuur door een combinatie van verschillende materialen.”
Die les hebben de onderzoekers zich ter harte genomen. De ene pool maakten ze van scheikundig aangepast grafeen en de andere is een zogeheten MOF, Engelse afko voor metaalorganisch netwerk.
Doorslaggevend voor de prestatie van de supercondensator het grotere soortelijke oppervlak van het grafeenmateriaal zijn in combinatie met een regelbare poriegrootte en daarnaast de hoge elektrische geleidbaarheid. Een groot soortelijk oppervlak (in feite komt dat neer op het effectieve oppervlak van een materiaal) is erg belangrijk voor de prestaties van supercondensatoren. Daardoor kan een pool snel grote hoeveelheden geladen deeltjes opnemen of afgeven (het laden en lossen, zeg maar). Ook de MOF-pool is akelig poreus: het effectieve oppervlak is zo’n 900 m<sup2 per gram.
Dat is allemaal mooi en aardig natuurlijk, maar stabiliteit van het materiaal is natuurlijk wezenlijk, anders kun je maar heel kort van je geweldige supercondensatoren genieten. Die schijnt volgens Fischer ook in orde te zijn. “In feite hebben we grafeenzuur (????;as) verbonden met MOF-aminozuur. Dat geeft een soort eiwitverbinding.”
Om een idee te krijgen: een klassieke lithiumaccu (accu en oplaadbare batterij is in wezen hetzelfde) heeft een levensduur van ongeveer 5000 laad/loscycli. De supercondensator van de TUM-ers gaat 10 000 cycli mee. Dat klinkt indrukwekkend, maar als die superbe supercondesnatoren worden gebruikt voor ‘snelle’ toepassingen zoals in die treinremmen, dan is dat natuurlijk niet heel indrukwekkend. Afijn, laten we niet meteen te zwartgallig zijn.
Bron: EurekAlert