Pseudokapasitiivisen anodimateriaali superkondensaattoreille

Nopeasti latautuvien energian varastointijärjestelmien kysynnän kasvaessa perinteisten litiumioniakkujen tehotiheys ja latausnopeus eivät enää riitä.

Nyt Shandongin yliopiston tutkijat ovat esitelleet läpimurron tuovan pseudokapasitiivisen anodimateriaalin, joka kuroo umpeen kuilua akkujen ja superkondensaattoreiden välillä.

Perinteisillä pseudokapasitiivisilla materiaaleilla on tyypillisesti korkeat käyttöpotentiaalit (>1,0 V vs. Li⁺/Li), mikä pienentää kokonaiskennojännitettä ja energiatiheyttä. Uusi kationiltaan epäjärjestäytynyt kivisuolalitiumtitaanioksifluoridi (DRX-LiₓTiOF2) voittaa tämän rajoituksen mahdollistamalla pseudokapasitiivisen Li⁺-varastoinnin huomattavan alhaisilla potentiaaleilla (jopa 0,1 V) yhdistämällä akkutasoisen kapasiteetin superkondensaattorin kaltaiseen nopeaan suorituskykyyn.

Materiaali syntetisoidaan sähkökemiallisesti indusoidun muutoksen kautta kuutiollisesta TiOF₂:sta epäjärjestyneeksi vuorisuolarakenteeksi. Monte Carlo -simulaatiot osoittavat, että sen poikkeuksellinen suorituskyky johtuu ainutlaatuisesta kolmiulotteisesta perkolaatioverkosta.

Kationien/anionien epäjärjestäytynyt rakenne, joka syntyy sekoitetun Li/Ti- ja O/F-aminohapon käyttöasteesta, luo toisiinsa yhteydessä olevia diffuusioreittejä, jotka mahdollistavat "perkoloituvan pseudokapasitanssin" koko materiaalissa.

Kehitetty DRX-LiₓTiOF₂ tarjoaa suuren palautumiskapasiteetin, noin 310 mAh g⁻¹ ,  ja se ylläpitää 93 mAh g⁻¹ :n  varausta erittäin suurella 20 A g⁻¹:n virralla (  64,4 °C). Materiaalilla on tyypillisiä pseudokapasitiivisia piirteitä: lähes suorakulmaiset CV-käyrät, viistot varaus-/purkausprofiilit ja 88,8 %:n kapasitiivinen osuus 1 mV s⁻¹:n virralla. Merkillepantavaa on, että se saavuttaa 88,6 %:n kapasiteetin säilyvyyden 1 000 syklin aikana.

Yhdessä litiumionikondensaattorin aktiivihiilikatodin kanssa ratkaisu saavuttaa poikkeukselliset ominaisuudet: käyttöjännite 4,0 V,  energiatiheys 197,9 Wh kg⁻¹ ja erittäin korkea tehotiheys 50 000 W kg⁻¹, jonka säilyvyys  on 73,7 % 20 000 syklin jälkeen.

Tämä työ luo uuden interkalaatiopseudokapasitiivisten materiaalien perheen, joka avaa lupaavia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven energian varastointijärjestelmille, joissa yhdistyvät korkea turvallisuus, nopea lataus ja korkea energiatiheys.

Aiheesta aiemmin:

Interkalatoitu pseudokapasitanssi

Ionitekniikkaa kondensaattoreihin