Grafen og metalnitrider forbedrer ydeevnen og stabiliteten af ​​energilagringsenheder

Superkondensatorer kan oplades og aflades titusindvis af gange, men deres relativt lave energitæthed sammenlignet med konventionelle batterier begrænser deres anvendelse til energilagring. Nu, A*STAR-forskere har udviklet en 'asymmetrisk' superkondensator baseret på metalnitrider og grafen, der kunne være en levedygtig energilagringsløsning.

En superkondensators levedygtighed bestemmes i høj grad af de materialer, som dens anoder og katoder består af. Disse elektroder skal have et stort overfladeareal pr. vægtenhed, høj elektrisk ledningsevne og kapacitans og være fysisk robuste, så de ikke nedbrydes under drift i flydende eller fjendtlige miljøer.

I modsætning til traditionelle superkondensatorer, som bruger det samme materiale til begge elektroder, anoden og katoden i en asymmetrisk superkondensator består af forskellige materialer. Forskere brugte oprindeligt metaloxider som asymmetriske superkondensatorelektroder, men, da metaloxider ikke har særlig høje elektriske ledningsevner og bliver ustabile over lange driftscyklusser, det var klart, at der var brug for et bedre alternativ.

Metalnitrider såsom titaniumnitrid, som tilbyder både høj ledningsevne og kapacitans, er et lovende alternativ, men de har en tendens til at oxidere i vandige miljøer, hvilket begrænser deres levetid som elektrode. En løsning på dette er at kombinere dem med mere stabile materialer.

Hui Huang fra A*STARs Singapore Institute of Manufacturing Technology og hans kolleger fra Nanyang Technological University og Jinan University, Kina, har fremstillet asymmetriske superkondensatorer, som inkorporerer metalnitridelektroder med stablede plader af grafen.

For at få det maksimale udbytte af grafenoverfladen, holdet brugte en præcis metode til at skabe tynde film, en proces kendt som atomlagsaflejring, at dyrke to forskellige materialer på lodret afstemte grafen nanoplader:titaniumnitrid til deres superkondensator katode og jernnitrid til anoden. Katoden og anoden blev derefter opvarmet til henholdsvis 800 og 600 grader Celsius, og lad det langsomt køle af. De to elektroder blev derefter adskilt i den asymmetriske superkondensator af en faststofelektrolyt, som forhindrede oxidation af metalnitriderne.

Forskerne testede deres superkondensatorenheder og viste, at de kunne cykle 20, 000 gange og udviste både høj kapacitans og høj effekttæthed. "Disse forbedringer skyldes det ultrahøje overfladeareal af det vertikalt justerede grafensubstrat og atomlagsdepositionsmetoden, der muliggør fuld brug af det, " siger Huang. "I fremtidig forskning, vi ønsker at forstørre enhedens arbejdsspænding for at øge energitætheden yderligere, " siger Huang.