De nanodraadjes omhuld door tweedimensionale materialen (afb: ACS Nano)

Mobiele telefoons zijn soms handig, maar een grote ergernis is de vaak korte werkduur van de batterij en de lange oplaadtijd. Iets soortgelijks geldt natuurlijk voor andere apparaten die afhankelijk zijn van de voeding van batterijen, zoals een fototoestel en de elektrische fiets (E-fiets). Onderzoekers in Florida doen voorkomen dat aan die ‘ellende’ binnenkort een eind komt. Ze zouden een supercondensator hebben ontwikkeld die in seconden oplaadt en ‘eindeloos’ mee gaat.

Het gaat dus om een supercondensator die meer energie kan opslaan dan een batterij en meer dan 30 000 kan worden opgeladen zonder daar last van te hebben. “Als je de huidige batterijen zou vervangen door deze supercondensatoren, dan zou je je mobiel in een paar seconden kunnen opladen en dat hoef je dan pas een week later weer te doen”, zegt onderzoeker Nitin Choudhary van de universiteit van Midden-Florida.
Ieder met een mobiel kent het probleem dat de gebruikstijd na verloop van tijd steeds korter wordt. De batterij gaat achteruit. Er wordt gewerkt aan het verbeteren van de batterijen, maar een andere route wordt gevormd door supercondensatoren. Een supercondensator is geen elektrochemische cel, maar je zou die kunnen zien als een bak vol elektronen. Het probleem is dat (super)condensatoren een hoge vermogensdichtheid hebben (W/kg) maar een lage energiedichtheid (Wh/kg) en daar gaat het uiteindelijk om: als je de ‘kraan’ eenmaal open zet is die bak snel leeg. Een supercondensator die net zoveel energie zou bevatten als een lithiumbatterij zou veel groter moeten zijn dan de batterij.

Vlakke materialen

De onderzoekers gingen aan de slag met tweedimensionale (vlakke) materialen, die slechts een atoom dik zijn zoals grafeen. Ze gebruikten niet grafeen maar overgangsmetaaldichalcogenides. Chalcogenides zijn elementen uit de zuurstofgroep zoals zuurstof en zwavel. Als overgangsmetaal gebruikten ze wolfraam.
Er was al eerder gewerkt met vlakke materialen, maar zonder al te veel succes. “Er was een probleem met de manier waarop die vlakke materialen in bestaande systemen werden ingezet. Wij ontwikkelden een eenvoudige synthesebenadering, zodat we de bestaande materialen mooi kunnen samenvoegen met de tweediomensionale”, zegt onderzoeksleider Yeonwoong Jung.

De supercondensatoren uit Florida zijn samengesteld uit miljoenen nanometerdikke draadjes die bedekt zijn met een laagje tweedimensionale materialen. Een hooggeleidende kern zorgt voor een supersnel elektronentransport voor laden en ontladen. Die Floridaanse supercondensator heeft een hoge energiedichtheid en vermogensdichtheid. Choudary: “Voor kleine elektronische apparaten doen onze condensatoren het beter in termen van energie- en vermogensdichtheid en van cyclische stabiliteit.”
Die cyclische stabiliteit is niet onbelangrijk. Het gaat dan om het aantal keren dat de condensator kan worden opgeladen (en weer ontladen). Bij een lithiumbatterij gaat die stabiliteit na zo’n 1500 cycli achteruit, bij telefoons hebben we het gauw over een jaar of drie, overigens. Supercondensatoren doen het ook na duizenden keren nog goed. Die van de onderzoekers uit Florida zou zeker na 30 000 cycli nog geen aftakeling vertonen.
We moeten nog even wachten voor Jungs supercondensatoren in de winkel liggen. “Dit is alleen een demonstratie dat het kan.” Er moet kennelijk nog aan gepield worden.

Bron: EurekAlert