Wetenschappers van Skoltech, De Staatsuniversiteit van Moskou (MSU) en het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) hebben een nieuwe benadering voorgesteld om koolstofatomen te vervangen door stikstofatomen in het kristalrooster van de supercondensator en hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor capaciteitsverbetering op basis van koolstofroostermodificatie met behulp van plasma . Hun bevindingen kunnen helpen bij het creëren van de volgende generatie stroombronnen voor draagbare elektronica. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Naarmate draagbare apparaten evolueren, de vraag naar nieuwe soorten energiebronnen groeit. Wetenschappers blijven zoeken naar een effectieve manier om de prestaties van elektrochemische energiebronnen te verbeteren. Een chemische stroombron, de supercondensator onderscheidt zich door hoge laad- en ontlaadsnelheden en een hogere energieopslagcapaciteit per massa- of volume-eenheid in vergelijking met een batterij. Het is gebruikelijk om poreuze materialen te gebruiken, zoals koolstof of poreuze metalen, voor supercondensatoren, metalen maken de bron echter veel zwaarder. Er zijn verschillende manieren om de capaciteit van elektrochemische energiebronnen te vergroten terwijl hun gewicht onveranderd blijft, bijvoorbeeld, door andere lichtere elementen te gebruiken of de atomen van een ander element in het kristalrooster op te nemen (doping). De tweede methode wordt verondersteld betere vooruitzichten te bieden, omdat het een gemakkelijke atoomopname mogelijk maakt in het stadium van de synthese van de koolstofstructuur. Stikstof is een van de elementen die in aanmerking komen voor doping. Stikstof is betrokken bij redoxreacties, wat leidt tot een extra capaciteitsuitbreiding. Hoewel wetenschappers al lang op de hoogte zijn van de dopingmethode, het effect van stikstof op de elektrochemische eigenschappen is nog steeds slecht begrepen.

Een groep wetenschappers onder leiding van Skoltech Senior Researcher Dr. Stanislav Evlashin demonstreerde een eenvoudige manier om de elektrochemische prestaties van de supercondensatoren te verbeteren. Hun aanpak geeft een beter inzicht in het proces van stikstofopname. De onderzoekers voerden de experimenten uit met koolstofnanowanden gemaakt van verticaal georiënteerde grafeenplaten, waarin ze een deel van de koolstof vervingen door stikstof met behulp van koolstofstructuurbehandeling door plasma. De uitkomsten van het onderzoek zijn een belangrijke stap op weg naar nieuwe energiebronnen.

"In dit onderzoek, we gebruikten een plasma-nabehandelingsbenadering om de capaciteit van de elektroden te verbeteren, " legt Dr. Evlashin uit. "We gebruikten koolstofstructuren met een hoog specifiek oppervlak als materiaal voor doping in het stikstofplasma en vervingen een deel van de koolstofatomen door stikstofatomen om de elektrochemische capaciteit van de energiebron te vergroten. Deze benadering kan worden toegepast om elke koolstofstructuur te wijzigen. De verkregen monsters werden getest met behulp van verschillende methoden. De experimentele resultaten vertoonden een zesvoudige toename van de elektrochemische capaciteit en uitstekende fietsstabiliteit. We hebben ook DFT-simulatie uitgevoerd van het stikstofopnameproces dat enig licht werpt op de complexe opnamemechanismen."