Противоречит этому обещанию тот факт, что, хотя суперконденсаторы обладают потенциалом заряжаться быстрее и служат дольше, чем обычные батареи, они также должны быть намного больше по размеру и массе, чтобы сохранять ту же электрическую энергию, что и батареи. Таким образом, многие ученые работают над созданием экологически чистых, легких, недорогих суперконденсаторов с высокими характеристиками.
Теперь два исследователя из С. Национальный центр фундаментальных наук Бозе, Индия, разработал новый электрод суперконденсатора на основе гибридной наноструктуры, состоящей из гибридной внешней оболочки из оксида никеля-оксида железа и проводящего железо-никелевого сердечника.В статье, опубликованной на этой неделе в журнале прикладной физики AIP Publishing, исследователи сообщают о технологии изготовления электрода с гибридной наноструктурой. Они также демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с существующими негибридными электродами суперконденсаторов.
Поскольку оксид никеля и оксид железа являются экологически чистыми и дешевыми материалами, широко доступными в природе, новый электрод обещает в будущем экологически чистые и недорогие суперконденсаторы.«Этот гибридный электрод демонстрирует превосходные электрохимические характеристики с точки зрения высокой емкости [способности накапливать электрический заряд] почти 1415 фарад на грамм, высокой плотности тока 2,5 ампера на грамм, низкого сопротивления и высокой плотности мощности», — сказал Ашутош К. Сингх, главный научный сотрудник отдела физики конденсированных сред и материаловедения в SN Национальный центр фундаментальных наук Бозе. «Он также имеет долгосрочную стабильность при циклировании, другими словами, электрод может сохранять почти 95 процентов начальной емкости после цикла или зарядки и разрядки 3000 раз».Обещание суперконденсаторов
Суперконденсаторы — это электронные устройства, в которых хранится очень большое количество электрических зарядов. Они также известны как электрохимические конденсаторы и обещают высокую удельную мощность, высокую производительность, превосходную стабильность цикла и высокую плотность энергии.В устройствах накопления энергии накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности», которая указывает на то, насколько быстро энергия доставляется. Обычные конденсаторы имеют высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии, что означает, что они могут быстро заряжаться, разряжаться и высвобождать импульс электроэнергии за короткое время, но они не могут удерживать большое количество электрических зарядов.
С другой стороны, обычные батареи — наоборот. Они обладают высокой плотностью энергии или могут накапливать много электроэнергии, но для зарядки и разрядки могут потребоваться часы. Суперконденсаторы — это мост между обычными конденсаторами и батареями, сочетающий в себе преимущества высокой мощности, высокой плотности энергии и низкого внутреннего сопротивления, которые могут заменить батареи в качестве быстрого, надежного и потенциально более безопасного источника питания для электрических и портативных электронных устройств в будущем, сказал он.
Сингх.В суперконденсаторах высокая емкость или способность накапливать электрический заряд имеет решающее значение для достижения более высокой плотности энергии.
Между тем, для достижения более высокой плотности мощности критически важно иметь большую электрохимически доступную площадь поверхности, высокую электрическую проводимость и короткие пути диффузии ионов. Наноструктурированные активные материалы служат средством для достижения этих целей.
Как ученые создали новый электродВдохновленные предыдущими исследованиями по улучшению проводимости путем легирования различных материалов на основе оксидов металлов, Сингх и Калян Мандал, другой исследователь и профессор Национального центра фундаментальных наук им.
С. Н. Бозе, смешали оксид никеля и оксид железа в качестве гибридного материала и изготовили новый сердечник. оболочка наноструктурного электрода.«Изменяя материалы и морфологию электрода, можно управлять характеристиками и качеством суперконденсаторов», — сказал Сингх.В эксперименте Сингха гибридная наноструктура ядро / оболочка была изготовлена с помощью двухэтапного метода. Используя стандартную технику электроосаждения, исследователи вырастили массивы железо-никелевых нанопроволок внутри пор шаблонов анодированного оксида алюминия, а затем растворили шаблоны для получения голых гибридных нанопроволок.
После этого исследователи на короткое время экспонировали нанопроволоки в кислородной среде при высокой температуре (450 градусов Цельсия), в конечном итоге разработав высокопористую гибридную оболочку оксида железа-оксида никеля вокруг железоникелевого ядра.«Преимущество этой гибридной наноструктуры ядро / оболочка состоит в том, что высокопористый нанослой оболочки обеспечивает очень большую площадь поверхности для окислительно-восстановительных реакций и уменьшает расстояние для процесса диффузии ионов», — сказал Сингх. Он объяснил, что суперконденсаторы накапливают заряды посредством химического процесса, известного как окислительно-восстановительная реакция, при которой материал отдает электроны и переносит ионы через другой материал на границе раздела между электродом и электролитом. Большие поверхности окислительно-восстановительной реакции необходимы для достижения более высокой плотности мощности суперконденсаторов.
«Более того, проводящий сердечник Fe-Ni обеспечивает магистраль для ускорения транспортировки электронов к токосъемнику, что улучшит проводимость и электрохимические свойства электрода, создавая высокоэффективные суперконденсаторы», — отметил Сингх.Как работает новый электродИспользуя методы, называемые циклической вольтамперометрией и методами гальваностатического заряда / разряда, Сингх и Мандал изучили электрохимические свойства электрода из гибридного материала.
По сравнению с аналогами, негибридными электродами, такими как никель / оксид никеля и электроды с сердечником / оболочкой из оксида железа / оксида железа, электрод из гибридного материала продемонстрировал более высокую емкость, более высокую плотность энергии и более длительное время зарядки / разрядки.«Например, плотность тока гибридного электрода в 3 и 24 раза выше, чем у электродов из никеля / оксида никеля и электродов из оксида железа / железа, соответственно», — сказал Сингх. «Сравнительные результаты показывают значительное обогащение электрохимической активностью электродов из никеля / оксида никеля и железа / оксида железа после их объединения, что свидетельствует о лучших сверх емкостных свойствах гибридного электрода».Одной из особенностей технологии изготовления Сингха является то, что она не требует дополнительных связующих материалов.
По словам Сингха, связующие материалы обычно используются при производстве суперконденсаторов на основе углерода или графена для прикрепления окислительно-восстановительного активного материала к токосъемнику. Без массы связующих материалов гибридный электрод является хорошим кандидатом для создания легких суперконденсаторов.
«Замечательные электрохимические характеристики и свойства материала позволяют предположить, что гибридная наноструктура ядро / оболочка оксида железа и оксида никеля может быть надежным и многообещающим кандидатом для изготовления легких, недорогих и экологически чистых электродов суперконденсатора следующего поколения для реального применения», — сказал Сингх. .Следующий план исследователей — разработать целое устройство суперконденсатора на основе гибридного электрода и протестировать его функциональные характеристики, что на шаг ближе к промышленному производству.