Høj ydeevne, Fremtidens lette superkondensatorelektroder

Som en ny energilagringsenhed, superkondensatorer har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed i de seneste år på grund af deres ultra-høje opladnings- og afladningshastighed, fremragende stabilitet, lang levetid og meget høj effekttæthed. Forestil dig, at du oplader din mobiltelefon på få sekunder eller fylder en elbil op på få minutter, som begge er en del af den lovende fremtid, som superkondensatorer kunne tilbyde.

Opvejning af dette løfte er det faktum, at mens superkondensatorer har potentialet til at oplade hurtigere og holde længere end konventionelle batterier, de skal også være meget større i størrelse og masse for at holde på den samme elektriske energi som batterier. Dermed, mange forskere arbejder på at udvikle grønt, letvægts, billige superkondensatorer med høj ydeevne.

Nu er to forskere fra S.N. Bose National Center for Basic Sciences, Indien, har udviklet en ny superkondensatorelektrode baseret på en hybrid nanostruktur lavet af en hybrid nikkeloxid-jernoxid ydre skal og en ledende jern-nikkel kerne.

I et papir offentliggjort i denne uge i Journal of Applied Physics , fra AIP Publishing, forskerne rapporterer fremstillingsteknikken for den hybride nanostrukturelektrode. De demonstrerer også sin overlegne ydeevne sammenlignet med eksisterende, ikke-hybride superkondensatorelektroder. Da nikkeloxid og jernoxid er miljøvenlige og billige materialer, der er bredt tilgængelige i naturen, den nye elektrode lover grønne og billige superkondensatorer i fremtiden.

"Denne hybridelektrode viser den overlegne elektrokemiske ydeevne i form af høj kapacitans [evnen til at lagre elektrisk ladning] på næsten 1415 farad pr. gram, høj strømtæthed på 2,5 ampere pr. gram, lav modstand og høj effekttæthed, " sagde Ashutosh K. Singh, primærforskeren ved Institut for Kondenseret Materielfysik og Materialevidenskab ved S.N. Bose National Center for Basic Sciences. "Den har også en langsigtet cykelstabilitet, med andre ord, elektroden kunne bevare næsten 95 procent af den oprindelige kapacitans efter cykling eller opladning og afladning 3, 000 gange."

Løftet om superkondensatorer

Superkondensatorer er elektroniske enheder, der bruges til at opbevare en ekstremt stor mængde elektriske ladninger. De er også kendt som elektrokemiske kondensatorer, og de lover høj effekttæthed, højhastighedskapacitet, fremragende cyklusstabilitet og høj energitæthed.

I energilagringsenheder, lagring af en elektrisk ladning kaldes "energitæthed, " en skelnen fra "krafttæthed, " som refererer til, hvor hurtigt energi leveres. Konventionelle kondensatorer har høj effekttæthed, men lav energitæthed, hvilket betyder, at de hurtigt kan oplade og aflade og frigive et udbrud af elektrisk strøm på kort tid, men de kan ikke holde til en stor mængde elektriske ladninger.

konventionelle batterier, på den anden side, er det modsatte. De har høj energitæthed eller kan lagre meget elektrisk energi, men det kan tage timer at oplade og aflade. Superkondensatorer er en bro mellem konventionelle kondensatorer og batterier, kombinerer de fordelagtige egenskaber ved høj effekt, høj energitæthed og lav indre modstand, som kan erstatte batterier som en hurtig, pålidelig og potentielt sikrere strømkilde til elektriske og bærbare elektroniske enheder i fremtiden, sagde Singh.

I superkondensatorer, høj kapacitans, eller evnen til at lagre en elektrisk ladning, er afgørende for at opnå højere energitæthed. I mellemtiden for at opnå en højere effekttæthed, det er afgørende at have et stort elektrokemisk tilgængeligt overfladeareal, høj elektrisk ledningsevne og korte iondiffusionsveje. Nanostrukturerede aktive materialer giver et middel til disse formål.

Hvordan videnskabsmænd byggede den nye elektrode

Inspireret af tidligere forskning om forbedring af ledningsevnen via doping af forskellige metaloxidmaterialer, Singh og Kalyan Mandal, en anden forsker og en professor ved S. N. Bose National Center for Basic Sciences, blandede nikkeloxid og jernoxid som et hybridmateriale og fremstillede den nye kerne/skal nanostrukturelektrode.

"Ved at ændre elektrodens materialer og morfologier, man kan manipulere ydeevnen og kvaliteten af ​​superkondensatorerne, " sagde Singh.

I Singhs eksperiment, kerne/skal hybrid nanostrukturen blev fremstillet gennem en to-trins metode. Ved at bruge en standard elektroaflejringsteknik, forskerne dyrkede arrays af jern-nikkel nanotråde inde i porerne i anodiseret aluminiumoxid-skabeloner, derefter opløst skabelonerne for at opnå de bare hybrid nanotråde. Efter det, forskerne eksponerede nanotrådene i et iltmiljø ved høj temperatur (450 grader Celsius) i kort tid, til sidst at udvikle en meget porøs jernoxid-nikkeloxid-hybridskal omkring jern-nikkel-kernen.

"Fordelen ved denne kerne/skal hybrid nanostruktur er, at det meget porøse shell nanolag giver et meget stort overfladeareal til redoxreaktioner og reducerer afstanden til iondiffusionsprocessen, " sagde Singh. Han forklarede, at superkondensatorer lagrer ladninger gennem en kemisk proces kendt som en redoxreaktion, som involverer et materiale, der afgiver elektroner og transporterer ioner gennem et andet materiale ved grænsefladen mellem elektrode og elektrolyt. Større redoxreaktionsflader er afgørende for at opnå en højere effekttæthed for superkondensatorer.

"I øvrigt, den ledende Fe-Ni kerne giver en motorvej til at accelerere transporten af ​​elektroner til strømaftageren, hvilket ville forbedre elektrodens ledningsevne og elektrokemiske egenskaber, realisering af højtydende superkondensatorer, " bemærkede Singh.

Hvordan den nye elektrode fungerede

Ved at bruge teknikker kaldet cyklisk voltammetri og galvanostatiske ladnings-/afladningsmetoder, Singh og Mandal studerede de elektrokemiske egenskaber af hybridmaterialeelektroden. Sammenligner man med modparten, ikke-hybride elektroder som nikkel/nikkeloxid og jern/jernoxid kerne/skal nanostrukturelektroder, hybridmaterialeelektroden viste højere kapacitans, højere energitæthed og højere opladning/afladningstid.

"For eksempel, strømtætheden af ​​hybridelektroden er tre og 24 gange højere end den for nikkel/nikkeloxid og jern/jernoxidelektroder, henholdsvis, "Singh sagde. "De sammenlignende resultater viser bemærkelsesværdig berigelse i de elektrokemiske aktiviteter af nikkel/nikkeloxid og jern/jernoxidelektroder efter at have kombineret dem sammen, hvilket antyder hybridelektrodens bedre superkapacitive egenskaber."

En egenskab ved Singhs fremstillingsteknik er, at den ikke kræver ekstra bindemiddelmaterialer. Ifølge Singh, bindende materialer er almindeligt anvendt til fremstilling af kulstof- eller grafenbaserede superkondensatorer til fastgørelse af redoxaktivt materiale på strømkollektoren. Uden massen af ​​bindematerialer, hybridelektroden er en god kandidat til at lave lette superkondensatorer.

"De bemærkelsesværdige elektrokemiske ydeevner og materialeegenskaber tyder på, at jernoxid-nikkeloxid hybrid kerne/skal nanostrukturen kunne være en pålidelig og lovende kandidat til at fremstille den næste generation af letvægts, billige og grønne superkondensatorelektroder til brug i det virkelige liv, " sagde Singh.

Forskernes næste plan er at udvikle en hel superkondensatorenhed baseret på hybridelektroden og teste dens funktionelle ydeevne, et skridt nærmere fremstillingsproduktion.