高効率スーパーキャパシタ用グラフェンハイブリッド材料

ミュンヘン工科大学（TUM）のローランド・フィッシャー教授（無機・金属有機化学）との共同研究チームは、高効率のスーパーキャパシタを開発しました。このエネルギー貯蔵デバイスの基礎となるのは、現在利用されている電池と同等の性能データを持つ、新しく強力で持続可能なグラフェンハイブリッド材料です。

このハイブリッド材は、エネルギー貯蔵デバイスの正極として機能します。研究者たちは、チタンと炭素をベースにした実証済みの負極と組み合わせています。

この新しいエネルギー貯蔵デバイスは、最大73Wh/kgのエネルギー密度を達成しており、これはニッケル水素電池のエネルギー密度とほぼ同等であるだけでなく、16kW/kgの電力密度で他のほとんどのスーパーキャパシタよりもはるかに優れた性能を発揮します。

グラフェンハイブリッドの性能の決め手は、大きな比表面積と制御可能な細孔サイズ、そして高い導電性です。「この材料の高性能は、微多孔性MOFと導電性グラフェン酸の組み合わせに基づいています」と、筆頭著者のJayaramulu Kolleboyina氏は説明します。

「優れたスーパーキャパシタには、大きな表面が重要です。それは、材料内にそれぞれ多数の電荷キャリアを集めることを可能にします」。

研究者らは、巧みな材料設計により、グラフェン酸とMOFを連結するという偉業を成し遂げています。得られたハイブリッドMOFは、1グラムあたり900平方メートルという非常に大きな内面を持ち、スーパーキャパシタの正極として高い性能を発揮します。

しかし、新材料の利点はそれだけではありません。化学的に安定したハイブリッドを実現するには、成分間の強い化学結合が必要です。この結合は、明らかにタンパク質のアミノ酸間の結合と同じであるとフィッシャー教授は言う。「実際、我々はグラフェン酸とMOF-アミノ酸を接続し、一種のペプチド結合を作り出しているのです」。

ナノ構造成分間の安定した結合は、長期的な安定性という点で大きなメリットがあります。結合が安定していればいるほど、性能を大きく損なうことなく、より多くの充放電サイクルが可能になります。

比較のために。従来のリチウムアキュムレータの耐用年数は約5,000サイクルです。TUMの研究者が開発した新しいセルは、10,000サイクル後も90%近くの容量を維持しています。

Powerful graphene hybrid material for highly efficient supercapacitorsSupercapacitors challenge batteries