Als een nieuw apparaat voor energieopslag, supercondensatoren hebben de afgelopen jaren veel aandacht getrokken vanwege hun ultrahoge laad- en ontlaadsnelheid, uitstekende stabiliteit, lange levensduur en zeer hoge vermogensdichtheid. Stelt u zich eens voor dat u uw mobiele telefoon in slechts een paar seconden oplaadt of een elektrische auto in slechts enkele minuten voltankt, die beide deel uitmaken van de veelbelovende toekomst die supercondensatoren zouden kunnen bieden.

Tegenover deze belofte staat het feit dat, terwijl supercondensatoren het potentieel hebben om sneller op te laden en langer mee te gaan dan conventionele batterijen, ze moeten ook veel groter in omvang en massa zijn om dezelfde elektrische energie vast te houden als batterijen. Dus, veel wetenschappers werken aan de ontwikkeling van groene, lichtgewicht, goedkope supercondensatoren met hoge prestaties.

Nu twee onderzoekers van de S.N. Bose Nationaal Centrum voor Basiswetenschappen, Indië, hebben een nieuwe supercondensatorelektrode ontwikkeld op basis van een hybride nanostructuur gemaakt van een hybride nikkeloxide-ijzeroxide-buitenschaal en een geleidende ijzer-nikkelkern.

In een artikel dat deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , van AIP Publishing, de onderzoekers rapporteren de fabricagetechniek van de hybride nanostructuur-elektrode. Ze demonstreren ook hun superieure prestaties in vergelijking met bestaande, niet-hybride supercondensatorelektroden. Aangezien nikkeloxide en ijzeroxide milieuvriendelijke en goedkope materialen zijn die in de natuur overal verkrijgbaar zijn, de nieuwe elektrode belooft in de toekomst groene en goedkope supercondensatoren.

"Deze hybride elektrode vertoont de superieure elektrochemische prestaties in termen van hoge capaciteit [het vermogen om elektrische lading op te slaan] van bijna 1415 farad per gram, hoge stroomdichtheid van 2,5 ampère per gram, lage weerstand en hoge vermogensdichtheid, " zei Ashutosh K. Singh, de primaire onderzoeker bij de afdeling Gecondenseerde Materie Fysica en Materiaalwetenschappen aan de S.N. Bose Nationaal Centrum voor Basiswetenschappen. "Het heeft ook een langdurige fietsstabiliteit, met andere woorden, de elektrode kan bijna 95 procent van de initiële capaciteit behouden na fietsen of opladen en ontladen 3, 000 keer."

De belofte van supercondensatoren

Supercondensatoren zijn elektronische apparaten die worden gebruikt om een ​​extreem grote hoeveelheid elektrische ladingen op te slaan. Ze zijn ook bekend als elektrochemische condensatoren, en ze beloven een hoge vermogensdichtheid, hoog tarief vermogen, uitstekende cyclusstabiliteit en hoge energiedichtheid.

In apparaten voor energieopslag, het opslaan van een elektrische lading heet "energiedichtheid, " een onderscheid van "vermogensdichtheid, " wat verwijst naar hoe snel energie wordt geleverd. Conventionele condensatoren hebben een hoge vermogensdichtheid maar een lage energiedichtheid, wat betekent dat ze snel kunnen opladen en ontladen en in korte tijd een uitbarsting van elektrische stroom kunnen vrijgeven, maar ze kunnen geen grote hoeveelheid elektrische ladingen vasthouden.

Conventionele batterijen, anderzijds, zijn het tegenovergestelde. Ze hebben een hoge energiedichtheid of kunnen veel elektrische energie opslaan, maar kan uren duren om op te laden en te ontladen. Supercondensatoren zijn een brug tussen conventionele condensatoren en batterijen, het combineren van de voordelige eigenschappen van hoog vermogen, hoge energiedichtheid en lage interne weerstand, die batterijen kan vervangen als een snelle, betrouwbare en potentieel veiligere stroombron voor elektrische en draagbare elektronische apparaten in de toekomst, zei Singh.

In supercondensatoren, hoge capaciteit, of het vermogen om een ​​elektrische lading op te slaan, is essentieel om een ​​hogere energiedichtheid te bereiken. In de tussentijd, om een ​​hogere vermogensdichtheid te bereiken, het is van cruciaal belang om een ​​groot elektrochemisch toegankelijk oppervlak te hebben, hoge elektrische geleidbaarheid en korte ionendiffusiepaden. Nanogestructureerde actieve materialen bieden hiervoor een middel.

Hoe wetenschappers de nieuwe elektrode hebben gebouwd

Geïnspireerd door eerder onderzoek naar het verbeteren van de geleidbaarheid via het doteren van verschillende metaaloxidematerialen, Singh en Kalyan Mandal, een andere onderzoeker en een professor aan het S.N. Bose National Center for Basic Sciences, gemengd nikkeloxide en ijzeroxide als een hybride materiaal en vervaardigde de nieuwe kern / schaal nanostructuur-elektrode.

"Door de materialen en morfologieën van de elektrode te veranderen, men kan de prestaties en kwaliteit van de supercondensatoren manipuleren, ' zei Singh.

In Singhs experiment, de kern / schil hybride nanostructuur werd gefabriceerd via een tweestapsmethode. Met behulp van een standaard elektro-depositietechniek, de onderzoekers groeiden arrays van ijzer-nikkel nanodraden in de poriën van geanodiseerde aluminiumoxide-sjablonen, loste vervolgens de sjablonen op om de kale hybride nanodraden te verkrijgen. Daarna, stelden de onderzoekers de nanodraden korte tijd bloot in een zuurstofomgeving bij hoge temperatuur (450 graden Celsius), uiteindelijk het ontwikkelen van een zeer poreuze ijzeroxide-nikkeloxide hybride schaal rond de ijzer-nikkel kern.

"Het voordeel van deze hybride nanostructuur met kern / schaal is dat de zeer poreuze nanolaag van de schaal een zeer groot oppervlak biedt voor redoxreacties en de afstand voor het iondiffusieproces verkleint, " zei Singh. Hij legde uit dat supercondensatoren ladingen opslaan via een chemisch proces dat bekend staat als een redoxreactie, waarbij een materiaal elektronen afstaat en ionen transporteert door een ander materiaal op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt. Grotere redoxreactieoppervlakken zijn essentieel voor het bereiken van een hogere vermogensdichtheid voor supercondensatoren.

"Bovendien, de geleidende Fe-Ni-kern biedt een snelweg om het transport van elektronen naar de stroomcollector te versnellen, die de geleidbaarheid en elektrochemische eigenschappen van de elektrode zou verbeteren, het realiseren van krachtige supercondensatoren, ’ merkte Singh op.

Hoe de nieuwe elektrode presteerde

Met behulp van technieken genaamd cyclische voltammetrie en galvanostatische laad-/ontlaadmethoden, Singh en Mandal bestudeerden de elektrochemische eigenschappen van de hybride materiaalelektrode. In vergelijking met de tegenpartij, niet-hybride elektroden zoals nikkel/nikkeloxide en ijzer/ijzeroxide kern/schil nanostructuur elektroden, de hybride materiaalelektrode vertoonde een hogere capaciteit, hogere energiedichtheid en hogere laad-/ontlaadtijd.

"Bijvoorbeeld, de stroomdichtheid van de hybride elektrode is drie en 24 keer hoger dan die van nikkel/nikkeloxide en ijzer/ijzeroxide elektroden, respectievelijk, Singh zei. "De vergelijkende resultaten laten een opmerkelijke verrijking zien in de elektrochemische activiteiten van nikkel/nikkeloxide- en ijzer/ijzeroxide-elektroden na ze samen te hebben gecombineerd, wat de betere supercapacitieve eigenschappen van de hybride elektrode suggereert."

Een kenmerk van Singh's fabricagetechniek is dat er geen extra bindmateriaal nodig is. Volgens Singh, bindende materialen worden vaak gebruikt bij de fabricage van op koolstof of grafeen gebaseerde supercondensatoren voor het bevestigen van redox-actief materiaal op de stroomcollector. Zonder de massa bindende materialen, de hybride elektrode is een goede kandidaat om lichtgewicht supercondensatoren te maken.

"De opmerkelijke elektrochemische prestaties en materiaaleigenschappen suggereren dat de ijzeroxide-nikkeloxide hybride kern / schaal-nanostructuur een betrouwbare en veelbelovende kandidaat zou kunnen zijn voor het fabriceren van de volgende generatie lichtgewicht, goedkope en groene supercondensatorelektroden voor echte toepassingen, ' zei Singh.

Het volgende plan van de onderzoekers is om een ​​volledig supercondensatorapparaat te ontwikkelen op basis van de hybride elektrode en de functionele prestaties ervan te testen. een stap dichter bij de maakproductie.