Neues COF-Material könnte bedeuten, dass Elektroautos schneller geladen werden

Ein Elektroauto ist derzeit auf ein komplexes Zusammenspiel von Batterien und Superkondensatoren angewiesen, um die Energie zu liefern, die es benötigt, um an Ort und Stelle zu gehen. Aber Chemiker entwickeln ein neues Material, das das ändern könnte.

"Unser Material vereint das Beste aus beiden Welten - die Fähigkeit, große Mengen elektrischer Energie oder Ladung zu speichern, wie eine Batterie, und die Fähigkeit, sich schnell aufzuladen und zu entladen, wie ein Superkondensator", sagt William Dichtel, Chemieprofessor an der Northwestern University der kovalente organische Gerüste (COF) studiert.

Dichtel und sein Forschungsteam haben ein COF - ein starkes, steifes Polymer mit einer Fülle von winzigen Poren, die für die Speicherung von Energie geeignet sind - mit einem sehr leitfähigen Material kombiniert, um das erste modifizierte redoxaktive COF zu bilden, das die Lücke zu anderen älteren porösen Kohlenstoffschichten schließt. basierte Elektroden.

"COFs sind schöne Strukturen mit viel Versprechungen, aber ihre Leitfähigkeit ist begrenzt", sagt Dichtel. "Das ist das Problem, das wir hier ansprechen. Indem wir sie modifizieren - indem wir das Attribut hinzufügen, das ihnen fehlt - können wir COFs praktisch nutzen. "

Und modifizierte COFs sind kommerziell attraktiv: COFs werden aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien hergestellt, während auf Kohlenstoff basierende Materialien teuer in der Verarbeitung und in der Massenproduktion sind.


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Ein Artikel von Dichtel und Koautoren von Northwestern und Cornell University erscheint in der Zeitschrift ACS Zentrale Wissenschaft.

Um die Fähigkeiten des neuen Materials zu demonstrieren, bauten die Forscher einen Knopfzellenbatterie-Prototyp, der in der Lage ist, eine Leuchtdiode für 30 Sekunden zu versorgen.

Das Material weist eine hervorragende Stabilität auf und ist in der Lage, 10,000-Lade- / Entladezyklen zu ermöglichen, berichten die Forscher. Sie führten auch umfangreiche zusätzliche Experimente durch, um zu verstehen, wie das COF und das leitende Polymer, genannt PEDOT, zusammenarbeiten, um elektrische Energie zu speichern.

Dichtel und sein Team haben das Material auf einer Elektrodenoberfläche hergestellt. Zwei organische Moleküle, die sich zu einem wabenartigen Gitter zusammenfügen und kondensieren, wobei eine 2D-Schicht übereinander gestapelt ist. In die Löcher oder Poren des Gitters legten die Forscher das leitende Polymer ein.

Jede Pore ist nur 2.3 Nanometer breit, aber der COF ist voll von diesen nützlichen Poren und schafft eine große Oberfläche auf sehr kleinem Raum. Eine kleine Menge des flauschigen COF-Pulvers, gerade genug, um ein Schnapsglas zu füllen und dasselbe wie ein Dollarschein zu wiegen, hat die Oberfläche eines olympischen Swimmingpools.

Der modifizierte COF zeigte eine dramatische Verbesserung seiner Fähigkeit, sowohl Energie zu speichern als auch die Vorrichtung schnell zu laden und zu entladen. Das Material kann ungefähr 10-mal mehr elektrische Energie speichern als das unmodifizierte COF, und es kann die elektrische Ladung in und aus dem Gerät 10 zu 15-Zeiten schneller erhalten.

"Es war wirklich erstaunlich, diesen Leistungszuwachs zu sehen", sagt Dichtel. "Diese Forschung wird uns leiten, wenn wir andere modifizierte COFs untersuchen und daran arbeiten, die besten Materialien für die Schaffung neuer elektrischer Energiespeicher zu finden."

Die National Science Foundation, die Camille und Henry Dreyfus Foundation und das US Army Research Office unterstützten die Forschung.

Quelle: Northwestern University

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