Ionitekniikkaa kondensaattoreihin

Hydrokinoni ja kinoni muuntuvat palautuvasti purkautumisen aikana toisikseen ja niihin liittyy protonointi- ja deprotonointiprosesseja. Samaan aikaan vetyioneja palautuvasti interkaloitui ja uutettiin Ti3C2Tx MXene anodiin, joka indusoi muutoksen titaanin oksidoitumis-hapetustilassa.

Liikkuvaan sähköenergian varastointiin on kaksi suosittua ratkaisua: suuren kapasiteetin litiumioniakut sekä nopeasti ladattavat ja purettavat kondensaattorit. Litium-ionikondensaattorit (LIC) yhdistävät näiden molempien parhaat puolet.

Litium-ioni kondensaattorien materiaalit eivät sisällä litiumioneja (tai elektroneja), toisin kuin akut. Siksi niiden tuottamisessa tarvitaan esilithiointia. Se tapahtuu joko yhteen kondensaattorin aineosista tai vahvasti litiumioneja sisältävä lisäaine jakaa ne uudelleen kondensaattorin materiaaleihin ensimmäisen latauksen aikana. Nämä menetelmät ovat kuitenkin kalliita ja monimutkaisia.

CNRS/Université de Nantesin tutkijat yhdessä Münsterin yliopiston tutkijoiden kanssa ylittivät tämän haasteen käyttämällä kahta lisäainetta, jotka yhdistettiin peräkkäisten kemiallisten reaktioiden kautta.

Kahden lisäaineen käyttö yhdessä litiumionien ja muiden elektronien kanssa, tarjoaa paljon suuremman toimintavapauden, koska ne voidaan valita itsenäisesti hinnan, kemiallisten ominaisuuksien ja suorituskyvyn mukaan.

Kun litiumionikondensaattori latautuu, ensimmäinen lisäaine (pyreeni) vapauttaa elektroneja ja protoneja. Toinen lisäaine, Li3PO4 varastoi protonit, ja vapauttaa litiumioneja, jotka ovat sitten käytettävissä esilitiointia varten.

Tämän lähestymistavan lisäetuna on se, että esilitioinnin jälkeen pyreenin jäännös edistää varausten varastointia, mikä lisää tallennetun sähköenergian määrää.

Tutkijoiden mukaan tekniikan mahdollisuuksien käyttöönoton pitäisi tuottaa näiden laitteiden nopeampi kaupallistaminen.

Toisaalla tutkimusryhmä, jota johti WU Zhongshuai Kiinan tiedeakatemian Dalianin kemiallisen fysiikan instituutista (CAS) yhteistyössä WANG Xiaohunin kanssa CASin metallitutkimuslaitoksesta, kehitti korkean energiatiheyden, vety-ioni-keinutuoli –tyyppisen MXene-perustaisen hybridi superkondesaattorin.

MXenet, kaksiulotteiset metallikarbidit ja karbonitridit, ovat herättäneet laajaa kiinnostusta niiden erinomaisen sähkökemiallisen energian varastointiominaisuuden vuoksi. Kuitenkin, vesipitoista symmetristä Ti3C2Tx -pohjaista superkonkkaa rajoittaa yleensä pieni jänniteikkuna (~ 0,6 V), johtuen peruuttamattomasta Ti3C2Tx:n hapettumisesta korkeassa potentiaalissa.

Kun tutkijat käyttivät Ti3C2Tx:tä negatiivisena elektrodina, hiilinanoputkia positiivisena elektrodina, H2SO4 liuosta negatiivisena elektrolyyttinä ja liuoksena joka sisältää hydrokinonin positiivisena elektrolyyttinä sekä protoneja läpäisevää Nafion-kalvoa erottimena, he valmistivat epäsymmetrisiä hybridejä superkondensaattoreita.

Tässä palautuvassa sähkökemiallisessa käyttäytymisessä oli mukana nopea vetyionin kuljetus positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä, jolloin laitetta kutsuttiin vety-ioni-keinutuoli hybridi superkondensaattoreiksi, vastaavasti kuin litiumioniakut.

Kummankin elektrodin suuren pseudokapasitanssin, sovitetun potentiaalisen ikkunan ja erinomaisen palautuvuuden vuoksi hybridi superkondensaattori osoitti jopa 1,6 voltin jännitettä, hyvää vakautta ja 100%:n säilymistä 5000 syklin jälkeen. Lisäksi energiatiheys oli ennätysmäiset 62 Wh/kg, näin ylittäen kaikki aiemmin raportoidut MXene-pohjaiset superkondensaattorit.

Aiheesta aiemmin:

Staattinen negatiivinen kondensaattori

Uusi sähköenergian varastoinnin materiaali

Energiaa kaksiulotteisten materiaalien väliin