Som en ny energilagringsenhet, superkondensatorer har väckt stor uppmärksamhet de senaste åren på grund av deras ultrahöga laddnings- och urladdningshastighet, utmärkt stabilitet, lång livslängd och mycket hög effekttäthet. Föreställ dig att ladda din mobiltelefon på bara några sekunder eller tanka upp en elbil på bara några minuter, som båda är en del av den lovande framtiden som superkondensatorer kan erbjuda.

Att uppväga detta löfte är det faktum att, medan superkondensatorer har potential att ladda snabbare och hålla längre än konventionella batterier, de måste också vara mycket större i storlek och massa för att hålla samma elektriska energi som batterier. Således, många forskare arbetar för att utveckla grönt, lättvikt, billiga superkondensatorer med hög prestanda.

Nu har två forskare från S.N. Bose National Center for Basic Sciences, Indien, har utvecklat en ny superkondensatorelektrod baserad på en hybrid nanostruktur gjord av en hybrid nickeloxid-järnoxid yttre skal och en ledande järn-nickel kärna.

I en tidning som publicerades denna vecka i Journal of Applied Physics , från AIP Publishing, forskarna rapporterar tillverkningstekniken för hybrid nanostrukturelektroden. De visar också sin överlägsna prestanda jämfört med befintliga, icke-hybrid superkondensatorelektroder. Eftersom nickeloxid och järnoxid är miljövänliga och billiga material som är allmänt tillgängliga i naturen, den nya elektroden lovar gröna och billiga superkondensatorer i framtiden.

"Denna hybridelektrod visar den överlägsna elektrokemiska prestandan i termer av hög kapacitans [förmågan att lagra elektrisk laddning] på nästan 1415 farad per gram, hög strömtäthet på 2,5 ampere per gram, lågt motstånd och hög effekttäthet, " sa Ashutosh K. Singh, primärforskaren vid institutionen för kondenserad materiens fysik och materialvetenskap vid S.N. Bose National Center for Basic Sciences. "Den har också en långsiktig cykelstabilitet, med andra ord, elektroden kunde behålla nästan 95 procent av initial kapacitans efter cykling eller laddning och urladdning 3, 000 gånger."

Löftet om superkondensatorer

Superkondensatorer är elektroniska enheter som används för att lagra en extremt stor mängd elektriska laddningar. De är också kända som elektrokemiska kondensatorer, och de lovar hög effekttäthet, hög kapacitet, superb cykelstabilitet och hög energitäthet.

I energilagringsenheter, att lagra en elektrisk laddning kallas "energitäthet, " en skillnad från "krafttäthet, " som hänvisar till hur snabbt energi levereras. Konventionella kondensatorer har hög effekttäthet men låg energitäthet, vilket innebär att de snabbt kan ladda och ladda ur och släppa ut en ström av elektrisk kraft på kort tid, men de kan inte hålla en stor mängd elektriska laddningar.

Konventionella batterier, å andra sidan, är motsatsen. De har hög energitäthet eller kan lagra mycket elektrisk energi, men det kan ta timmar att ladda och ladda ur. Superkondensatorer är en brygga mellan konventionella kondensatorer och batterier, kombinerar de fördelaktiga egenskaperna hos hög effekt, hög energitäthet och lågt inre motstånd, som kan ersätta batterier som en snabb, pålitlig och potentiellt säkrare strömkälla för elektriska och bärbara elektroniska enheter i framtiden, sa Singh.

I superkondensatorer, hög kapacitans, eller förmågan att lagra en elektrisk laddning, är avgörande för att uppnå högre energitäthet. Under tiden, för att uppnå en högre effekttäthet, det är viktigt att ha en stor elektrokemiskt tillgänglig yta, hög elektrisk ledningsförmåga och korta jondiffusionsvägar. Nanostrukturerade aktiva material tillhandahåller ett medel för dessa ändamål.

Hur forskare byggde den nya elektroden

Inspirerad av tidigare forskning om att förbättra konduktiviteten genom dopning av olika metalloxidmaterial, Singh och Kalyan Mandal, en annan forskare och en professor vid S.N. Bose National Center for Basic Sciences, blandade nickeloxid och järnoxid som ett hybridmaterial och tillverkade den nya kärna/skal nanostrukturelektroden.

"Genom att ändra elektrodens material och morfologier, man kan manipulera prestanda och kvalitet på superkondensatorerna, " sa Singh.

I Singhs experiment, kärna/skal hybrid nanostrukturen tillverkades genom en tvåstegsmetod. Med hjälp av en standardteknik för elektroavsättning, forskarna odlade uppsättningar av järn-nickel nanotrådar inuti porerna på anodiserade aluminiumoxidmallar, löste sedan upp mallarna för att erhålla de nakna hybridnanotrådarna. Efter det, forskarna exponerade nanotrådarna i en syremiljö vid hög temperatur (450 grader Celsius) under en kort tid, så småningom utveckla ett mycket poröst järnoxid-nickeloxid-hybridskal runt järn-nickelkärnan.

"Fördelen med denna kärna/skal hybrid nanostruktur är att det mycket porösa skal nanoskiktet ger en mycket stor yta för redoxreaktioner och minskar avståndet för jondiiffusionsprocessen, " sa Singh. Han förklarade att superkondensatorer lagrar laddningar genom en kemisk process känd som en redoxreaktion, vilket innebär att ett material avger elektroner och transporterar joner genom ett annat material vid gränsytan mellan elektrod och elektrolyt. Större redoxreaktionsytor är väsentliga för att uppnå en högre effekttäthet för superkondensatorer.

"Dessutom, den ledande Fe-Ni-kärnan tillhandahåller en motorväg för att påskynda transporten av elektroner till strömkollektorn, vilket skulle förbättra elektrodens ledningsförmåga och elektrokemiska egenskaper, realisera högpresterande superkondensatorer, " noterade Singh.

Hur den nya elektroden fungerade

Genom att använda tekniker som kallas cyklisk voltammetri och galvanostatiska laddnings-/urladdningsmetoder, Singh och Mandal studerade de elektrokemiska egenskaperna hos hybridmaterialelektroden. Jämför man med motsvarigheten, icke-hybridelektroder som nickel/nickeloxid och järn/järnoxid kärna/skal nanostrukturelektroder, hybridmaterialelektroden visade högre kapacitans, högre energitäthet och högre laddning/urladdningstid.

"Till exempel, strömtätheten för hybridelektroden är tre och 24 gånger högre än den för nickel/nickeloxid och järn/järnoxidelektroder, respektive, "Singh sa. "De jämförande resultaten visar anmärkningsvärd berikning i de elektrokemiska aktiviteterna av nickel/nickeloxid- och järn/järnoxidelektroder efter att ha kombinerat dem, vilket antyder hybridelektrodens bättre superkapacitiva egenskaper."

En egenskap hos Singhs tillverkningsteknik är att den inte kräver extra bindemedelsmaterial. Enligt Singh, bindningsmaterial används vanligtvis vid tillverkning av kol- eller grafenbaserade superkondensatorer för att fästa redoxaktivt material på strömkollektorn. Utan massan av bindematerial, hybridelektroden är en bra kandidat för att göra lätta superkondensatorer.

"De anmärkningsvärda elektrokemiska egenskaperna och materialegenskaperna tyder på att järnoxid-nickeloxidhybridkärnan/nanostrukturen kan vara en pålitlig och lovande kandidat för att tillverka nästa generations lättviktare, billiga och gröna superkondensatorelektroder för verkliga tillämpningar, " sa Singh.

Forskarnas nästa plan är att utveckla en hel superkondensatorenhet baserad på hybridelektroden och testa dess funktionella prestanda, ett steg närmare tillverkningsproduktion.