Come nuovo dispositivo di accumulo di energia, i supercondensatori hanno attirato una notevole attenzione negli ultimi anni a causa della loro altissima velocità di carica e scarica, ottima stabilità, lunga durata del ciclo e densità di potenza molto elevata. Immagina di caricare il tuo cellulare in pochi secondi o di fare il pieno a un'auto elettrica in pochi minuti, che fanno entrambi parte del promettente futuro che i supercondensatori potrebbero offrire.

A controbilanciare questa promessa è il fatto che, mentre i supercondensatori hanno il potenziale per caricarsi più velocemente e durare più a lungo delle batterie convenzionali, devono anche essere di dimensioni e massa molto maggiori per contenere la stessa energia elettrica delle batterie. Così, molti scienziati stanno lavorando per sviluppare il verde, leggero, supercondensatori a basso costo ad alte prestazioni.

Ora due ricercatori del S.N. Centro nazionale Bose per le scienze di base, India, hanno sviluppato un nuovo elettrodo a supercondensatore basato su una nanostruttura ibrida costituita da un guscio esterno ibrido di ossido di nichel-ossido di ferro e un nucleo conduttivo di ferro-nichel.

In un articolo pubblicato questa settimana su Rivista di fisica applicata , da AIP Publishing, i ricercatori riportano la tecnica di fabbricazione dell'elettrodo a nanostruttura ibrida. Dimostrano inoltre le sue prestazioni superiori rispetto a quelle esistenti, elettrodi supercondensatori non ibridi. Poiché l'ossido di nichel e l'ossido di ferro sono materiali ecologici ed economici ampiamente disponibili in natura, il nuovo elettrodo promette supercondensatori ecologici e a basso costo in futuro.

"Questo elettrodo ibrido mostra le prestazioni elettrochimiche superiori in termini di elevata capacità [la capacità di immagazzinare carica elettrica] di quasi 1415 farad per grammo, alta densità di corrente di 2,5 ampere per grammo, bassa resistenza e alta densità di potenza, " ha detto Ashutosh K. Singh, il ricercatore primario presso il Dipartimento di Fisica della Materia Condensata e Scienze dei Materiali del S.N. Centro nazionale Bose per le scienze di base. "Ha anche una stabilità ciclistica a lungo termine, in altre parole, l'elettrodo potrebbe mantenere quasi il 95 percento della capacità iniziale dopo il ciclo o la carica e la scarica 3, 000 volte."

La promessa dei supercondensatori

I supercondensatori sono dispositivi elettronici utilizzati per immagazzinare una quantità estremamente elevata di cariche elettriche. Sono anche conosciuti come condensatori elettrochimici, e promettono un'elevata densità di potenza, capacità ad alta velocità, eccellente stabilità del ciclo e alta densità di energia.

Nei dispositivi di accumulo di energia, immagazzinare una carica elettrica è chiamato "densità di energia, " una distinzione da "densità di potenza, " che si riferisce alla velocità con cui viene erogata l'energia. I condensatori convenzionali hanno un'elevata densità di potenza ma una bassa densità di energia, il che significa che possono caricare e scaricare rapidamente e rilasciare una scarica di energia elettrica in breve tempo, ma non possono contenere una grande quantità di cariche elettriche.

batterie convenzionali, d'altra parte, sono l'opposto. Hanno un'alta densità di energia o possono immagazzinare molta energia elettrica, ma possono volerci ore per caricarsi e scaricarsi. I supercondensatori sono un ponte tra i condensatori convenzionali e le batterie, combinando le vantaggiose proprietà di alta potenza, alta densità di energia e bassa resistenza interna, che può sostituire le batterie velocemente, fonte di alimentazione affidabile e potenzialmente più sicura per i dispositivi elettronici elettrici e portatili in futuro, disse Singh.

Nei supercondensatori, alta capacità, o la capacità di immagazzinare una carica elettrica, è fondamentale per ottenere una maggiore densità di energia. Nel frattempo, per ottenere una maggiore densità di potenza, è fondamentale disporre di un'ampia superficie accessibile per via elettrochimica, alta conducibilità elettrica e vie di diffusione ionica brevi. I materiali attivi nanostrutturati forniscono un mezzo per questi fini.

Come gli scienziati hanno costruito il nuovo elettrodo

Ispirato da precedenti ricerche sul miglioramento della conduttività tramite il drogaggio di diversi materiali di ossido di metallo, Singh e Kalyan Mandal, un altro ricercatore e professore al S.N. Bose National Center for Basic Sciences, ossido di nichel misto e ossido di ferro come materiale ibrido e ha fabbricato il nuovo elettrodo con nanostruttura nucleo/guscio.

"Cambiando i materiali e le morfologie dell'elettrodo, si possono manipolare le prestazioni e la qualità dei supercondensatori, " ha detto Singh.

Nell'esperimento di Singh, la nanostruttura ibrida nucleo/guscio è stata fabbricata con un metodo in due fasi. Utilizzando una tecnica di elettrodeposizione standard, i ricercatori hanno coltivato matrici di nanofili di ferro-nichel all'interno dei pori di modelli di ossido di allumina anodizzato, quindi sciolto i modelli per ottenere i nanofili ibridi nudi. Dopo di che, i ricercatori hanno esposto i nanofili in un ambiente di ossigeno ad alta temperatura (450 gradi Celsius) per un breve periodo, alla fine sviluppando un guscio ibrido di ossido di ferro-ossido di nichel altamente poroso attorno al nucleo di ferro-nichel.

"Il vantaggio di questa nanostruttura ibrida nucleo/guscio è che il nanostrato guscio altamente poroso fornisce un'area superficiale molto ampia per le reazioni redox e riduce la distanza per il processo di diffusione ionica, " ha detto Singh. Ha spiegato che i supercondensatori immagazzinano le cariche attraverso un processo chimico noto come reazione redox, che coinvolge un materiale che cede elettroni e trasporta ioni attraverso un altro materiale all'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita. Superfici di reazione redox più grandi sono essenziali per ottenere una maggiore densità di potenza per i supercondensatori.

"Inoltre, il nucleo conduttore Fe-Ni fornisce un'autostrada per accelerare il trasporto di elettroni al collettore di corrente, che migliorerebbero la conduttività e le proprietà elettrochimiche dell'elettrodo, realizzando supercondensatori ad alte prestazioni, " ha osservato Singh.

Come si è comportato il nuovo elettrodo

Utilizzando tecniche chiamate voltammetria ciclica e metodi di carica/scarica galvanostatica, Singh e Mandal hanno studiato le proprietà elettrochimiche dell'elettrodo di materiale ibrido. Rispetto alla controparte, elettrodi non ibridi come elettrodi di nanostruttura di nichel/ossido di nichel e ferro/ossido di ferro/guscio, l'elettrodo in materiale ibrido ha dimostrato una capacità maggiore, maggiore densità di energia e maggiore tempo di carica/scarica.

"Per esempio, la densità di corrente dell'elettrodo ibrido è tre e 24 volte superiore a quella degli elettrodi di nichel/ossido di nichel e ferro/ossido di ferro, rispettivamente, " Ha detto Singh. "I risultati comparativi mostrano un notevole arricchimento nelle attività elettrochimiche degli elettrodi di nichel / ossido di nichel e ferro / ossido di ferro dopo averli combinati insieme, il che suggerisce le migliori proprietà supercapacitive dell'elettrodo ibrido."

Una caratteristica della tecnica di fabbricazione di Singh è che non richiede materiali leganti aggiuntivi. Secondo Singh, i materiali leganti sono comunemente usati nella fabbricazione di supercondensatori a base di carbonio o grafene per attaccare materiale redox attivo sul collettore di corrente. Senza la massa di materiali leganti, l'elettrodo ibrido è un buon candidato per realizzare supercondensatori leggeri.

"Le notevoli prestazioni elettrochimiche e le proprietà dei materiali suggeriscono che la nanostruttura ibrida nucleo/guscio di ossido di ferro-ossido di nichel potrebbe essere un candidato affidabile e promettente per fabbricare la prossima generazione di pesi leggeri, elettrodi supercondensatori economici e verdi per applicazioni nella vita reale, " ha detto Singh.

Il prossimo piano dei ricercatori è sviluppare un intero dispositivo a supercondensatore basato sull'elettrodo ibrido e testarne le prestazioni funzionali, un passo più vicino alla produzione manifatturiera.