 Суперконденсаторы, новые устройства хранения энергии, в последние годы привлекли значительное внимание из-за их ультравысокой скорости заряда и разряда, превосходной стабильности, долгого срока службы и высокой плотности мощности. Представьте себе зарядку вашего мобильного телефона всего за несколько секунд или заправку электрического автомобиля за несколько минут. Это всего лишь малая доля перспективного будущего, предлагаемого суперконденсаторами.
В то время как суперконденсаторы имеют потенциал заряжаться быстрее и работать дольше, чем обычные батареи, они также должны быть значительно больше по размеру и массе, чтобы хранить то же количество энергии, как и батареи. Многие ученые работают над созданием зеленых, легких и дешевых суперконденсаторов с высокой производительностью.
Два исследователя из национального центра фундаментальных наук Бозе в Индии разработали новый электрод суперконденсатора на основе гибридной наноструктуры, изготовленной из гибридной никелевой оксидо-железной внешней оболочки и проводящей железо-никелевой сердцевины.
Исследователи сообщили о технике изготовления гибридных наноструктур электрода. Они также демонстрируют высокую производительность по сравнению с существующими, негибридными суперконденсаторными электродами. Оксид никеля и оксид железа являются экологически чистыми и дешевыми материалами, которые широко доступны в природе. Новый электрод приведет к производству недорогих суперконденсаторов в будущем.
«Этот гибридный электрод показывает превосходную электрохимическую производительность в условиях высокой емкости (способности хранить электрический заряд) почти в 1415 фарад на грамм, высокую плотность тока 2,5 ампер на грамм, низкое сопротивление и высокую плотность мощности», сказал Ашутош К Сингх, основной исследователь. «Электрод может сохранить почти 95 процентов от первоначальной емкости после 3000 процессов зарядки и разрядки».
Суперконденсаторы представляют собой электронные устройства, используемые для хранения чрезвычайно большого количество электрических зарядов. Они также известны как электрохимические конденсаторы, и они способны обеспечивать высокую плотность мощности, высокую способность к скорости, превосходную стабильность цикла и высокую плотность энергии.
В устройствах хранения энергии сохранение электрического заряда называется «плотностью энергии», отличную от «плотности мощности», в которой говорится о том, как быстро доставляется энергия. Обычные конденсаторы имеют высокую плотность мощности, но при этом низкую плотность энергии, что означает, что они могут быстро заряжаться и разряжаться в течение короткого времени, но они не могут проводить большое количество электрических зарядов.
Обычные батареи, с другой стороны, являются противоположными. Они имеют высокую плотность энергии или могут хранить много электрической энергии, но их зарядка и разрядка может занять несколько часов. Суперконденсаторы сочетают полезные свойства конденсаторов и батарей, такие как высокую мощность, высокую энергетическую плотность и низкое внутреннее сопротивление, которое может заменить батареи в качестве быстрого, надежного и потенциально более безопасного источника питания для электрических и портативных электронных устройств в будущем.
В суперконденсаторах высокая емкость, или способность хранить электрический заряд, имеет решающее значение для достижения более высокой плотности энергии. Между тем, для достижения более высокой плотности мощности, то очень важно иметь большую электрохимически доступную площадь поверхности, высокую электрическую проводимость и короткие пути диффузии ионов. Наноструктурированные активные вещества обеспечивают все необходимые средства для этих целей.
Вдохновленный предыдущими исследованиями по совершенствованию проводимость с помощью легирования различных материалов на основе оксидов металлов, Сингх и Калян Мандал, другой исследователь, смешали оксид никеля и оксид железа в качестве гибридного материала и изготовили новое ядро/оболочку наноструктурного электрода.
«Изменяя материалы и морфологию электрода, можно манипулировать производительностью и качеством суперконденсаторов», сказал Сингх.
В эксперименте Сингха ядро/оболочка гибридной наноструктуры было сфабриковано через двухступенчатый метод. Используя стандартный метод электро-осаждения, исследователи провели массивы железоникелевых нанопроволок внутри пор анодированного алюминия оксида шаблонов, затем растворили шаблоны для получения гибридных нанопроводов. После этого, исследователи подвергли нанопроволоки кислородной среде при высокой температуре (450 градусов по Цельсию) в течение короткого времени, в конечном итоге разработав высоко пористую гибридную оболочку вокруг железоникелевой сердцевины.
«Преимущество этой гибридной наноструктуры состоит в том, что высокопористые оболочки нанослоя обеспечивают очень большую площадь поверхности для окислительно-восстановительных реакций и уменьшают расстояние для процесса диффузии ионов», сказал Синг. Он пояснил, что суперконденсаторы хранят заряды химического процесса, известного как окислительно-восстановительной реакции, в которой участвуют материал, дающий электроны и транспортировки ионов через другой материал на поверхности раздела между электродом и электролитом. Большие окислительно-восстановительные реакции поверхности имеют важное значение для достижения более высокой плотности мощности в суперконденсаторах.
Используя методы, называемые циклической вольтамперометрией и гальваностатический метод заряда/разряда, Сингх и Мандал изучили электрохимических свойства гибридного материала электрода. Сравнение с аналогичными, негибридными электродами, такими как никель/оксид никеля и железо/оксида железа показало, что новый гибридный материал электрода демонстрирует более высокую емкость, более высокую плотность энергии и более быстрое время зарядки/разрядки. «Например, плотность тока на гибридном электроде в три и 24 раза выше, чем у электродов никеля/оксида никеля и железа/оксида, соответственно», сказал Синг.
Одна из особенностей технологии изготовления Синга состоит в том, что она не требует дополнительных связующих материалов. Согласно Сингу связующие материалы обычно используются при изготовлении суперконденсаторов на основе углерода или графена для крепления редокс-активного материала на токосъемнике. Гибридный электрод может быть хорошим кандидатом для изготовления легких по весу суперконденсаторов.
«Замечательные электрохимические характеристики и свойства материала позволяют предположить, что гибридная наноструктура может быть надежным и перспективным кандидатом для изготовления следующего поколения легких, недорогих и экологически чистых суперконденсаторных электродов для применения в реальной жизни», сказал Сингх.
Следующим планом исследователей является разработка целого суперконденсаторного устройства на основе гибридного электрода и проверка его функциональных характеристики, что на шаг ближе к производству продукции.
|
