Scienziati di Skoltech, L'Università statale di Mosca (MSU) e l'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) hanno proposto un nuovo approccio per sostituire gli atomi di carbonio con atomi di azoto nel reticolo cristallino del supercondensatore e hanno sviluppato un nuovo metodo di potenziamento della capacità basato sulla modifica del reticolo di carbonio con l'aiuto del plasma . Le loro scoperte possono aiutare a creare la prossima generazione di fonti di alimentazione per l'elettronica portatile. I risultati del loro studio sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .

Con l'evoluzione dei dispositivi portatili, cresce la domanda di nuove tipologie di fonti energetiche. Gli scienziati continuano a cercare un modo efficace per migliorare le prestazioni delle fonti di energia elettrochimica. Una fonte chimica di corrente, il supercondensatore si distingue per elevate velocità di carica e scarica e una maggiore capacità di accumulo di energia per unità di massa o volume rispetto a una batteria. È consuetudine utilizzare materiali porosi, come carbonio o metalli porosi, per supercondensatori, tuttavia i metalli rendono la sorgente molto più pesante. Esistono diversi modi per aumentare la capacità delle fonti di energia elettrochimica mantenendo inalterato il loro peso, Per esempio, utilizzando altri elementi più leggeri o incorporando gli atomi di un altro elemento nel reticolo cristallino (doping). Si ritiene che il secondo metodo offra migliori prospettive, in quanto consente una facile incorporazione dell'atomo nella fase di sintesi della struttura del carbonio. L'azoto è uno degli elementi considerati per il doping. L'azoto è coinvolto nelle reazioni redox, che porta ad un ulteriore aumento della capacità. Sebbene gli scienziati siano a conoscenza da tempo del metodo del doping, l'effetto dell'azoto sulle caratteristiche elettrochimiche è ancora poco conosciuto.

Un gruppo di scienziati guidati dal Dr. Stanislav Evlashin, ricercatore senior di Skoltech, ha dimostrato un modo semplice per aumentare le prestazioni elettrochimiche dei supercondensatori. Il loro approccio fornisce una migliore comprensione del processo di incorporazione dell'azoto. I ricercatori hanno eseguito gli esperimenti utilizzando nanowall di carbonio costituiti da fogli di grafene orientati verticalmente, in cui hanno sostituito parte del carbonio con azoto utilizzando il trattamento della struttura del carbonio mediante plasma. I risultati dello studio sono un passo importante verso la creazione di nuove fonti di energia.

"In questo studio, abbiamo utilizzato un approccio post-trattamento al plasma per migliorare la capacità degli elettrodi, " spiega il dottor Evlashin. "Abbiamo utilizzato strutture di carbonio con un'elevata superficie specifica come materiale per il drogaggio nel plasma di azoto e sostituito una parte degli atomi di carbonio con atomi di azoto per migliorare la capacità elettrochimica della fonte di energia. Questo approccio può essere applicato per modificare qualsiasi struttura del carbonio. I campioni ottenuti sono stati testati utilizzando vari metodi. I risultati sperimentali hanno mostrato un aumento di sei volte della capacità elettrochimica e un'eccellente stabilità del ciclo. Abbiamo anche eseguito la simulazione DFT del processo di incorporazione dell'azoto che fa luce sui complessi meccanismi di incorporazione".