Nanoputket ja nanosuikaleet tehostavat nopeaa energian varastointia

Uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, kasvava käyttö vaatii energian varastointijärjestelmiä, jotka pystyvät varautumaan nopeasti, toimittamaan virtaa tehokkaasti ja pysymään vakaina pitkäaikaisen käytön aikana. Akut voivat varastoida suuria määriä energiaa, mutta niiden lataaminen kestää usein pitkään.

Superkondensaattorit taas voivat varautua ja purkautua nopeasti, mutta niiden energian varastointikapasiteetti on yleensä rajallisempi. Materiaalien kehittäminen, jotka yhdistävät suuren energian varastointikyvyn, nopean tehonsiirron ja pitkäaikaisen kestävyyden, on siksi tärkeä haaste seuraavan sukupolven energiateknologioille.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi professori Da-Ren Hangin (National Sun Yat-sen University) ja professori Chi-Te Liangin (National Taiwan University) johtama tutkimusryhmä kehitti sekaulotteisen hybridin dielektrodimateriaalin.

Materiaali yhdistää kaksiulotteisia vanadiinidisulfidin (VS₂) nanosuojia yksiulotteisiin huokoisiin onttoihin grafiittisiin hiilinitridin (g-C₃N₄) nanoputkiin (TCN).

Tämä rakenne toimii kaksoissynergiastrategian avulla. Yksiulotteiset nanoputket tarjoavat avoimen tukirakenteen, joka auttaa estämään VS₂-nanolevyjen pinoutumisen toisiinsa. Tämä luo elektrolyytti-ioneille helpommin saavutettavia reittejä liikkua elektrodin läpi. Samaan aikaan VS₂-nanolevyt sisältävät sekä metallisia että puolijohtavia faaseja, mikä auttaa parantamaan varauksensiirtoa ja pinnan redox-reaktioita energian varastoinnin aikana.

Tuloksena olevalla TCN/VS₂-komposiitilla on vahva sähkökemiallinen suorituskyky. Kolmielektrodijärjestelmässä se tuottaa suuren ominaiskapasitanssin, 680,9 F g⁻¹ virralla 1 A g⁻¹. Symmetriseksi kiinteän olomuodon superkondensaattoriksi koottuna laite saavuttaa energiatiheyden 35,45 Wh kg⁻¹ ja säilyttää 90 %:n kapasitanssin 10 000 lataus-purkaussyklin jälkeen.

Tämän tietyn materiaalin lisäksi tutkimus osoittaa laajemman elektrodisuunnittelukonseptin. Yhdistämällä eri muotoisia ja toimintoja sisältäviä nanomittakaavan rakenneosia tutkijat voivat luoda rakenteita, jotka paljastavat enemmän aktiivisia kohtia, tukevat nopeampaa ionien liikkumista ja pysyvät vakaina toistuvien toimintojen aikana.

"Yhdistämällä nanoputket, jotka pitävät elektrodirakenteen avoimena, nanosuikaleisiin, jotka aktiivisesti varastoivat varausta, työmme osoittaa käytännöllisen tavan suunnitella superkondensaattorimateriaaleja, jotka latautuvat nopeasti ja pysyvät vakaina pitkäaikaisessa käytössä", sanoo vastaava kirjoittaja, fysiikan professori, tohtori Chi-Te Liang National Taiwan Universitysta.

Aiheesta aiemmin:

Pseudokapasitiivisen anodimateriaali superkondensaattoreille

Uutta puhtia superkondensaattoreille

Metalliton superkondensaattoripino grafeenista