Forskare från Skoltech, Moscow State University (MSU) och Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) har föreslagit en ny metod för att ersätta kolatomer med kväveatomer i superkondensatorns kristallgitter och utvecklat en ny kapacitetsförbättringsmetod baserad på kolgittermodifiering med hjälp av plasma . Deras resultat kan hjälpa till att skapa nästa generations strömkällor för bärbar elektronik. Resultaten av deras studie publicerades i Vetenskapliga rapporter .

När bärbara enheter utvecklas, efterfrågan på nya typer av energikällor ökar. Forskare fortsätter att leta efter ett effektivt sätt att förbättra prestanda för elektrokemiska energikällor. En kemisk strömkälla, superkondensatorn kännetecknas av höga laddnings- och urladdningshastigheter och en högre energilagringskapacitet per massa- eller volymenhet jämfört med ett batteri. Det är vanligt att använda porösa material, såsom kol eller porösa metaller, för superkondensatorer, men metaller gör källan mycket tyngre. Det finns flera sätt att öka kapaciteten hos elektrokemiska energikällor samtidigt som deras vikt hålls oförändrad, till exempel, genom att använda andra lättare grundämnen eller införliva ett annat grundämnes atomer i kristallgittret (dopning.) Den andra metoden tros ge bättre möjligheter, eftersom det möjliggör enkel atominkorporering vid kolstruktursyntessteget. Kväve är ett av de element som övervägs för dopning. Kväve är involverat i redoxreaktioner, vilket leder till ytterligare kapacitetsökning. Även om forskare länge har varit medvetna om dopningsmetoden, effekten av kväve på de elektrokemiska egenskaperna är fortfarande dåligt förstådd.

En grupp forskare under ledning av Skoltech Senior Researcher Dr Stanislav Evlashin visade ett enkelt sätt att öka superkondensatorernas elektrokemiska prestanda. Deras tillvägagångssätt ger en bättre inblick i kväveinkorporeringsprocessen. Forskarna utförde experimenten med hjälp av kolnanoväggar gjorda av vertikalt orienterade grafenark, där de ersatte en del av kolet med kväve med hjälp av kolstrukturbehandling med plasma. Resultaten av studien är ett viktigt steg mot att skapa nya energikällor.

"I den här studien, vi använde en plasma-efterbehandlingsmetod för att förbättra elektrodernas kapacitet, " förklarar Dr. Evlashin. "Vi använde kolstrukturer med en hög specifik yta som ett material för dopning i kväveplasman och ersatte en del av kolatomerna med kväveatomer för att förbättra energikällans elektrokemiska kapacitet. Detta tillvägagångssätt kan tillämpas för att ändra vilken kolstruktur som helst. De erhållna proverna testades med olika metoder. De experimentella resultaten visade en sexfaldig ökning av elektrokemisk kapacitet och utmärkt cykelstabilitet. Vi utförde också DFT-simulering av kväveinkorporeringsprocessen som kastar lite ljus över de komplexa inkorporeringsmekanismerna."