Superkondensatorer kan laddas och laddas ur tiotusentals gånger, men deras relativt låga energitäthet jämfört med konventionella batterier begränsar deras tillämpning för energilagring. Nu, A*STAR -forskare har utvecklat en 'asymmetrisk' superkondensator baserad på metallnitrider och grafen som kan vara en livskraftig energilagringslösning.

En superkapacitors livskraft bestäms till stor del av det material som dess anoder och katoder består av. Dessa elektroder måste ha en hög ytarea per viktenhet, hög elektrisk konduktivitet och kapacitans och vara fysiskt robusta så att de inte försämras under drift i flytande eller fientliga miljöer.

Till skillnad från traditionella superkondensatorer, som använder samma material för båda elektroderna, anoden och katoden i en asymmetrisk superkondensator består av olika material. Forskare använde initialt metalloxider som asymmetriska superkondensatorelektroder, men, eftersom metalloxider inte har särskilt höga elektriska konduktiviteter och blir instabila under långa driftscykler, det var klart att det behövdes ett bättre alternativ.

Metallnitrider som titanitrid, som erbjuder både hög konduktivitet och kapacitans, är ett lovande alternativ, men de tenderar att oxidera i vattniga miljöer som begränsar deras livstid som en elektrod. En lösning på detta är att kombinera dem med mer stabila material.

Hui Huang från A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology och hans kollegor från Nanyang Technological University och Jinan University, Kina, har tillverkat asymmetriska superkondensatorer som innehåller metallnitridelektroder med staplade ark av grafen.

För att få maximal nytta av grafenytan, laget använde en exakt metod för att skapa tunna filmer, en process som kallas atomlageravsättning, för att odla två olika material på vertikalt inriktade grafen -nanoskikt:titanitrid för deras superkondensatorns katod och järnnitrid för anoden. Katoden och anoden värmdes sedan till 800 respektive 600 grader Celsius, och fick svalna långsamt. De två elektroderna separerades sedan i den asymmetriska superkondensatorn med en elektrolyt i fast tillstånd, vilket förhindrade oxidation av metallnitriderna.

Forskarna testade sina superkondensatoranordningar och visade att de kunde cykla 20, 000 gånger och uppvisade både hög kapacitans och hög effekttäthet. "Dessa förbättringar beror på den ultrahöga ytan på det vertikalt inriktade grafensubstratet och metoden för atomlageravsättning som möjliggör full användning av det, "säger Huang." I framtida forskning, vi vill förstora enhetens arbetsspänning för att öka energitätheten ytterligare, säger Huang.