Supercondensatoren kunnen meer energie opslaan dan batterijen en hebben de voorkeur boven batterijen omdat ze sneller kunnen opladen, voornamelijk vanwege de verticale grafeen nanosheets (VGN's) die groter zijn en dichter bij elkaar zijn geplaatst. VGN's zijn 3D-netwerken van koolstofnanomateriaal die groeien in rijen verticale vellen, biedt een groot oppervlak voor een grotere opslagcapaciteit voor ladingen. Ook wel koolstof nanowallen of grafeen nanoflakes genoemd, VGN's bieden belofte in energieopslagsystemen met hoog vermogen, brandstofcellen, biosensoren en magnetische apparaten, onder anderen.

Het gebruik van VGN's als materiaal voor supercondensatorelektroden biedt voordelen vanwege hun intrigerende eigenschappen zoals een onderling verbonden poreuze nanoarchitectuur, uitstekende geleidbaarheid, hoge elektrochemische stabiliteit, en zijn reeks nano-elektroden. Voordelen van VGN's kunnen worden verbeterd, afhankelijk van hoe het materiaal wordt gekweekt, behandeld en voorbereid om met elektrolyten te werken.

"De prestaties van een supercondensator hangen niet alleen af ​​van de geometrie van het elektrodemateriaal, maar hangt ook af van het type elektrolyt en de interactie met de elektrode, " zei Subrata Ghosh van het Indira Gandhi Center for Atomic Research van het Homi Bhabha National Institute. "Om de energiedichtheid van een apparaat te verbeteren, [elektrische] potentiële raamverbetering zal een belangrijke factor zijn."

In een artikel dat deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , Ghosh en een team van onderzoekers ontdekten manieren om de supercapaciteitseigenschappen van het materiaal te verbeteren.

Volgens modellering, VGN's moeten opslagcapaciteiten met hoge lading kunnen bieden, en de wetenschappelijke gemeenschap probeert de sleutels te ontsluiten om de theoretisch beschikbare efficiëntieniveaus te bereiken. Benodigde verbeteringen om levensvatbaar te zijn, zijn onder meer, bijvoorbeeld, grotere capaciteit per eenheid materiaal, grotere retentie, minder interne weerstand, en grotere elektrochemische spanningsbereiken (bedrijfspotentiaalvensters).

"Onze motivatie was om de VGN-prestaties te verbeteren, " zei Ghosh. "We hebben twee strategieën gekozen. Een daarvan is het uitvinden van een nieuwe elektrolyt, en een ander is het verbeteren van de VGN-structuur door chemische activering. De combinatie van beide verbetert de prestaties van de ladingopslag opmerkelijk."

Het onderzoeksteam behandelde VGN's met kaliumhydroxide (KOH) om de elektroden te activeren en liet de behandelde elektroden vervolgens interageren met een hybride elektrolyt, het testen van de vorming van de elektrische dubbellaag op het elektrode/elektrolyt-interface. Ze onderzochten ook de morfologie, bevochtigbaarheid van het oppervlak, columbische efficiëntie en oppervlaktecapaciteit van VGN.

De nieuwe elektrolyt die ze hebben gemaakt, is een hybride die de voordelen van waterige en organische elektrolyten combineert voor een nieuwe hybride organo-waterige versie die de supercondensatorprestaties van VGN's verbetert. Met behulp van een organisch zout, tetraethylammoniumtetrafluorboraat (TEABF4), in een zure waterige oplossing van zwavelzuur (H2SO4), ze creëerden een elektrolyt dat het bedieningsvenster van het apparaat verlengde.

Verbetering van de VGN-architectuur was geassocieerd met het proces van KOH-activering, die de functionele zuurstofgroep op de elektrode heeft geënt, verbeterde bevochtigbaarheid van de elektrode, verminderde interne weerstand en zorgde voor een vijfvoudige verbetering van de capaciteit van de VGN's. De activeringsbenadering in het artikel kan worden toegepast op andere supercondensatorapparaten die zijn gebaseerd op nanoarchitectuur, zei Gosh.

"Waterige en organische elektrolyten worden op grote schaal gebruikt, maar ze hebben hun eigen voor- en nadelen, " zei hij. "Vandaar dat het concept van hybride elektrolyt ontstaat."