I supercondensatori possono essere caricati e scaricati decine di migliaia di volte, ma la loro densità di energia relativamente bassa rispetto alle batterie convenzionali limita la loro applicazione per l'accumulo di energia. Ora, I ricercatori di A*STAR hanno sviluppato un supercondensatore "asimmetrico" basato su nitruri metallici e grafene che potrebbe essere una valida soluzione per l'accumulo di energia.

La vitalità di un supercondensatore è in gran parte determinata dai materiali di cui sono composti i suoi anodi e catodi. Questi elettrodi devono avere una superficie elevata per unità di peso, elevata conducibilità elettrica e capacità ed essere fisicamente robusti in modo da non degradarsi durante il funzionamento in ambienti liquidi o ostili.

A differenza dei tradizionali supercondensatori, che utilizzano lo stesso materiale per entrambi gli elettrodi, l'anodo e il catodo in un supercondensatore asimmetrico sono costituiti da materiali diversi. Gli scienziati hanno inizialmente utilizzato ossidi metallici come elettrodi supercondensatori asimmetrici, ma, poiché gli ossidi metallici non hanno conducibilità elettriche particolarmente elevate e diventano instabili per lunghi cicli di funzionamento, era chiaro che era necessaria un'alternativa migliore.

Nitruri metallici come nitruro di titanio, che offrono sia alta conducibilità che capacità, sono un'alternativa promettente, ma tendono ad ossidarsi in ambienti acquosi che limitano la loro vita come elettrodo. Una soluzione a questo è combinarli con materiali più stabili.

Hui Huang del Singapore Institute of Manufacturing Technology di A*STAR e i suoi colleghi della Nanyang Technological University e della Jinan University, Cina, hanno fabbricato supercondensatori asimmetrici che incorporano elettrodi di nitruro di metallo con fogli impilati di grafene.

Per ottenere il massimo beneficio dalla superficie del grafene, il team ha utilizzato un metodo preciso per la creazione di film sottili, un processo noto come deposizione di strati atomici, per far crescere due diversi materiali su nanofogli di grafene allineati verticalmente:nitruro di titanio per il catodo del loro supercondensatore e nitruro di ferro per l'anodo. Il catodo e l'anodo sono stati quindi riscaldati rispettivamente a 800 e 600 gradi Celsius, e lasciate raffreddare lentamente. I due elettrodi sono stati quindi separati nel supercondensatore asimmetrico da un elettrolita allo stato solido, che ha impedito l'ossidazione dei nitruri metallici.

I ricercatori hanno testato i loro dispositivi a supercondensatore e hanno mostrato che potevano eseguire un ciclo di 20, 000 volte e ha mostrato sia un'elevata capacità che un'elevata densità di potenza. "Questi miglioramenti sono dovuti alla superficie ultraelevata del substrato di grafene allineato verticalmente e al metodo di deposizione dello strato atomico che ne consente il pieno utilizzo, " dice Huang. "Nella ricerca futura, vogliamo aumentare la tensione di lavoro del dispositivo per aumentare ulteriormente la densità di energia, "dice Huang.