p (Phys.org) —Enquanto a maioria dos veículos elétricos de hoje dependem de baterias para armazenar energia, os supercapacitores passaram por melhorias significativas que os tornaram competidores sérios das baterias. As baterias tradicionalmente têm a vantagem em termos de capacidade, já que as baixas capacidades dos supercapacitores significam distâncias de condução muito curtas para veículos elétricos. A maior vantagem dos supercapacitores está em sua densidade de potência muito maior em comparação com as baterias, permitindo um tempo de carga mais rápido e a capacidade de descarregar rapidamente para aceleração rápida. p Um novo estudo realizado por um grupo de pesquisadores da Universidade de Alberta e do National Research Council of Canada, ambos em Alberta, Canadá, mostrou que os supercondensadores têm grande potencial para melhorias contínuas.

p Os pesquisadores sintetizaram um novo material que eles chamam de grafeno esponjoso devido à sua estrutura macroporosa 3D e demonstraram que ele pode ser usado para fazer eletrodos supercapacitores. Supercapacitores com esses novos eletrodos têm densidade de energia justa quando operando em densidades de baixa potência, mas sua maior atração é quando operam em densidades de potência ultra-altas de cerca de 48, 000 W / kg, onde eles são capazes de fornecer uma densidade de energia atraente de 7,1 Wh / kg.

p Inicialmente, uma densidade de energia de 7,1 Wh / kg pode não parecer notável em comparação com a densidade de energia das melhores baterias de íon-lítio, como o recorde de 400 Wh / kg do Envia System, anunciado no início deste ano. Contudo, a fim de reduzir o tempo que leva para carregar baterias de íon-lítio para veículos elétricos de horas para minutos, as baterias precisam ter uma densidade de energia mais alta do que seus melhores valores atuais de cerca de 10, 000 W / kg. Então, o 48, Densidade de potência de 000 W / kg dos supercapacitores relatados aqui, juntamente com uma densidade de energia de 7,1 Wh / kg, mostra que os supercapacitores podem oferecer às baterias alguma competição.

p "Supercapacitores e baterias são dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica bastante diferentes, "co-autor Zhi Li, da Universidade de Alberta e do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, contado Phys.org . "Aqui está um exemplo usado com frequência para demonstrar suas diferenças. Se você estiver dirigindo um veículo elétrico, você gostaria de uma bateria de alta densidade de energia para manter o veículo funcionando por muitos quilômetros e provavelmente também preferiria um supercapacitor de alta densidade de potência para fazer o carro dar partida / acelerar mais rápido. Os supercapacitores são projetados para trabalhar com densidade de energia muito maior (carregamento / descarregamento rápido). 7,1 Wh / kg está longe de ser atraente para uma bateria. Contudo, esta energia é fornecida em menos de 2 segundos. Acredito que nenhuma das baterias existentes está pronta para isso. "

p Como os pesquisadores explicam em seu estudo, eles sintetizaram o grafeno esponjoso a partir de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e moléculas de ftalocianina de cobalto (PC) que se ligam a locais de nucleação no "esqueleto" do nanotubo. Esses materiais foram aquecidos por microondas por 20 minutos para produzir grafite, e então imediatamente temperado com água gelada para transformar a grafite em flocos de grafeno. As imagens do microscópio eletrônico de varredura revelaram uma morfologia semelhante a uma esponja muito uniforme na estrutura do carbono.

p Em experimentos, os pesquisadores demonstraram que eletrodos feitos de grafeno esponjoso são estáveis ​​em dois eletrólitos comuns (líquido iônico e aquoso) usados ​​em supercapacitores. Embora muitos eletrodos de supercapacitor tenham um bom desempenho apenas em temperaturas de 60 ° C (140 ° F) ou mais, os eletrodos esponjosos de grafeno funcionam muito bem em temperatura ambiente. Os pesquisadores atribuem a boa operação em temperatura ambiente e a capacidade de transferência rápida de eletrólitos (e alta densidade de potência resultante) à estrutura macroporosa esponjosa do eletrodo.

p Os eletrodos de grafeno esponjosos também exibem um excelente ciclo de vida. Depois de passar por 10, 000 ciclos de carga-descarga, os eletrodos retiveram 90% de sua capacidade no eletrólito líquido iônico e 98% no eletrólito aquoso.

p "Nesse trabalho, nós cultivamos grafeno entre os CNTs e obtemos uma nanoarquitetura capaz de fornecer energia em uma densidade de potência superalta, "Li disse." No entanto, a contribuição mais significativa do trabalho é que demonstramos um método adequado para fazer grafeno no espaço limitado de outros nanomateriais. PCs, os materiais iniciais que usamos, são moléculas pequenas com menos de 2 nm e podem caber no espaço minúsculo de outros nanomateriais. Após carbonização e têmpera, PCs são no local convertido em grafeno. Além disso, esta conversão é uma reação autocatalisada que oferece grande flexibilidade para fazer a composição de grafeno com outros nanomateriais. Como você sabe, os compostos de grafeno têm uma aplicação muito mais ampla do que o próprio grafeno. "

p Geral, os resultados são baseados em pesquisas anteriores, demonstrando que as estruturas de grafeno 3D podem servir como uma estrutura ideal para eletrodos supercapacitores, permitindo a transferência rápida de eletrólitos através dos canais porosos. Os pesquisadores esperam que novas melhorias no futuro tornem os supercondensadores atraentes para veículos elétricos, sistemas de backup de energia, e outras aplicações de alta potência.

p "Estamos buscando uma maneira de tornar o grafeno mais fino, o que daria às nanoarquiteturas mais densidade de energia, "Li disse." A espessura atual do grafeno é de cerca de 5-6 camadas. Nosso objetivo é torná-lo menos de 2 camadas. Isso vai dobrar ou triplicar a densidade de energia dos materiais sem sacrificar a densidade de energia. " p Copyright 2012 Phys.org
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