Supercondensatoren kunnen tienduizenden keren worden opgeladen en ontladen, maar hun relatief lage energiedichtheid in vergelijking met conventionele batterijen beperkt hun toepassing voor energieopslag. Nutsvoorzieningen, A*STAR-onderzoekers hebben een 'asymmetrische' supercondensator ontwikkeld op basis van metaalnitrides en grafeen die een levensvatbare oplossing voor energieopslag zou kunnen zijn.

De levensvatbaarheid van een supercondensator wordt grotendeels bepaald door de materialen waaruit de anoden en kathoden bestaan. Deze elektroden moeten een groot oppervlak per gewichtseenheid hebben, hoge elektrische geleidbaarheid en capaciteit en fysiek robuust zijn zodat ze niet verslechteren tijdens gebruik in vloeibare of vijandige omgevingen.

In tegenstelling tot traditionele supercondensatoren, die hetzelfde materiaal gebruiken voor beide elektroden, de anode en kathode in een asymmetrische supercondensator zijn gemaakt van verschillende materialen. Wetenschappers gebruikten aanvankelijk metaaloxiden als asymmetrische supercondensatorelektroden, maar, aangezien metaaloxiden geen bijzonder hoge elektrische geleidbaarheid hebben en onstabiel worden gedurende lange bedrijfscycli, het was duidelijk dat er een beter alternatief nodig was.

Metaalnitrides zoals titaannitride, die zowel een hoge geleidbaarheid als een hoge capaciteit bieden, zijn een veelbelovend alternatief, maar ze hebben de neiging om te oxideren in waterige omgevingen die hun levensduur als elektrode beperken. Een oplossing hiervoor is om ze te combineren met stabielere materialen.

Hui Huang van A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology en zijn collega's van Nanyang Technological University en Jinan University, China, hebben asymmetrische supercondensatoren gefabriceerd die metaalnitride-elektroden bevatten met gestapelde vellen grafeen.

Om het maximale uit het grafeenoppervlak te halen, het team gebruikte een nauwkeurige methode voor het maken van dunne films, een proces dat bekend staat als atomaire laagafzetting, om twee verschillende materialen te laten groeien op verticaal uitgelijnde grafeen nanosheets:titaniumnitride voor de kathode van hun supercondensator en ijzernitride voor de anode. De kathode en anode werden vervolgens verwarmd tot respectievelijk 800 en 600 graden Celsius, en langzaam laten afkoelen. De twee elektroden werden vervolgens gescheiden in de asymmetrische supercondensator door een elektrolyt in vaste toestand, die de oxidatie van de metaalnitriden verhinderde.

De onderzoekers testten hun supercondensatorapparaten en toonden aan dat ze 20 konden fietsen, 000 keer en vertoonde zowel een hoge capaciteit als een hoge vermogensdichtheid. "Deze verbeteringen zijn te danken aan het ultrahoge oppervlak van het verticaal uitgelijnde grafeensubstraat en de atomaire laagafzettingsmethode die het volledige gebruik ervan mogelijk maakt, ", zegt Huang. "In toekomstig onderzoek, we willen de werkspanning van het apparaat vergroten om de energiedichtheid nog verder te verhogen, " zegt Huang.