En tant que nouveau dispositif de stockage d'énergie, les supercondensateurs ont attiré une attention considérable ces dernières années en raison de leur taux de charge et de décharge ultra-élevé, excellente stabilité, longue durée de vie et densité de puissance très élevée. Imaginez recharger votre téléphone portable en quelques secondes ou faire le plein d'une voiture électrique en quelques minutes, qui font tous deux partie de l'avenir prometteur que pourraient offrir les supercondensateurs.

Cette promesse est contrebalancée par le fait que, tandis que les supercondensateurs ont le potentiel de se charger plus rapidement et de durer plus longtemps que les batteries conventionnelles, elles doivent également être beaucoup plus grandes en taille et en masse afin de contenir la même énergie électrique que les batteries. Ainsi, de nombreux scientifiques travaillent au développement du vert, poids léger, supercondensateurs low-cost à hautes performances.

Maintenant, deux chercheurs du S.N. Centre national de Bose pour les sciences fondamentales, Inde, ont développé une nouvelle électrode de supercondensateur basée sur une nanostructure hybride constituée d'une enveloppe extérieure hybride en oxyde de nickel-oxyde de fer et d'un noyau conducteur en fer-nickel.

Dans un article publié cette semaine dans le Journal de physique appliquée , des éditions AIP, les chercheurs rapportent la technique de fabrication de l'électrode à nanostructure hybride. Ils démontrent également ses performances supérieures par rapport à l'existant, électrodes de supercondensateurs non hybrides. Étant donné que l'oxyde de nickel et l'oxyde de fer sont des matériaux respectueux de l'environnement et bon marché qui sont largement disponibles dans la nature, la nouvelle électrode promet des supercondensateurs verts et peu coûteux à l'avenir.

"Cette électrode hybride montre des performances électrochimiques supérieures en termes de capacité élevée [la capacité à stocker une charge électrique] de près de 1415 farads par gramme, haute densité de courant de 2,5 ampères par gramme, faible résistance et haute densité de puissance, " a déclaré Ashutosh K. Singh, le chercheur principal du Département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux du S.N. Centre national de Bose pour les sciences fondamentales. "Il a également une stabilité de cyclisme à long terme, en d'autres termes, l'électrode pourrait conserver près de 95 pour cent de la capacité initiale après le cycle ou la charge et la décharge 3, 000 fois."

La promesse des supercondensateurs

Les supercondensateurs sont des dispositifs électroniques utilisés pour stocker une quantité extrêmement importante de charges électriques. Ils sont également connus sous le nom de condensateurs électrochimiques, et ils promettent une densité de puissance élevée, capacité de débit élevé, superbe stabilité de cycle et haute densité d'énergie.

Dans les dispositifs de stockage d'énergie, le stockage d'une charge électrique est appelé "densité d'énergie, " une distinction de " densité de puissance, " qui fait référence à la rapidité avec laquelle l'énergie est fournie. Les condensateurs conventionnels ont une densité de puissance élevée mais une faible densité d'énergie, ce qui signifie qu'ils peuvent charger et décharger rapidement et libérer une rafale d'énergie électrique en peu de temps, mais ils ne peuvent pas contenir une grande quantité de charges électriques.

Piles conventionnelles, d'autre part, sont le contraire. Ils ont une densité énergétique élevée ou peuvent stocker beaucoup d'énergie électrique, mais peut prendre des heures pour charger et décharger. Les supercondensateurs sont un pont entre les condensateurs conventionnels et les batteries, combinant les propriétés avantageuses de haute puissance, haute densité énergétique et faible résistance interne, qui peut remplacer les piles rapidement, source d'alimentation fiable et potentiellement plus sûre pour les appareils électroniques électriques et portables à l'avenir, dit Singh.

Dans les supercondensateurs, haute capacité, ou la capacité de stocker une charge électrique, est essentiel pour atteindre une densité énergétique plus élevée. Pendant ce temps, pour atteindre une densité de puissance plus élevée, il est essentiel d'avoir une grande surface accessible électrochimiquement, conductivité électrique élevée et voies de diffusion ionique courtes. Les matériaux actifs nanostructurés fournissent un moyen à ces fins.

Comment les scientifiques ont construit la nouvelle électrode

Inspiré par des recherches antérieures sur l'amélioration de la conductivité via le dopage de différents matériaux d'oxyde métallique, Singh et Kalyan Mandal, un autre chercheur et professeur au Centre national S. N. Bose des sciences fondamentales, mélange d'oxyde de nickel et d'oxyde de fer en tant que matériau hybride et a fabriqué la nouvelle électrode à nanostructure noyau/enveloppe.

"En changeant les matériaux et les morphologies de l'électrode, on peut manipuler les performances et la qualité des supercondensateurs, " a déclaré Singh.

Dans l'expérience de Singh, la nanostructure hybride cœur/coquille a été fabriquée selon une méthode en deux étapes. En utilisant une technique standard d'électrodéposition, les chercheurs ont développé des réseaux de nanofils fer-nickel à l'intérieur des pores de modèles d'oxyde d'alumine anodisé, puis dissous les modèles pour obtenir les nanofils hybrides nus. Après ça, les chercheurs ont exposé les nanofils dans un environnement d'oxygène à haute température (450 degrés Celsius) pendant une courte période, développer finalement une enveloppe hybride d'oxyde de fer et d'oxyde de nickel hautement poreuse autour du noyau de fer et de nickel.

"L'avantage de cette nanostructure hybride cœur/coquille est que la nanocouche de coquille très poreuse offre une très grande surface pour les réactions redox et réduit la distance pour le processus de diffusion des ions, " a déclaré Singh. Il a expliqué que les supercondensateurs stockent des charges grâce à un processus chimique connu sous le nom de réaction redox, qui implique un matériau cédant des électrons et transportant des ions à travers un autre matériau à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. Des surfaces de réaction redox plus grandes sont essentielles pour obtenir une densité de puissance plus élevée pour les supercondensateurs.

"De plus, le noyau conducteur Fe-Ni fournit une autoroute pour accélérer le transport des électrons vers le collecteur de courant, ce qui améliorerait la conductivité et les propriétés électrochimiques de l'électrode, réaliser des supercondensateurs haute performance, " a noté Singh.

Comment la nouvelle électrode a-t-elle fonctionné

En utilisant des techniques appelées méthodes de voltamétrie cyclique et de charge/décharge galvanostatique, Singh et Mandal ont étudié les propriétés électrochimiques de l'électrode en matériau hybride. En comparant avec la contrepartie, électrodes non hybrides comme les électrodes à nanostructure nickel/oxyde de nickel et fer/oxyde de fer à noyau/coque, l'électrode en matériau hybride a démontré une capacité plus élevée, densité d'énergie plus élevée et temps de charge/décharge plus élevé.

"Par exemple, la densité de courant de l'électrode hybride est trois et 24 fois supérieure à celle des électrodes nickel/oxyde de nickel et fer/oxyde de fer, respectivement, " a déclaré Singh. " Les résultats comparatifs montrent un enrichissement remarquable dans les activités électrochimiques des électrodes de nickel/oxyde de nickel et de fer/oxyde de fer après les avoir combinées, ce qui suggère les meilleures propriétés supercapacitives de l'électrode hybride."

Une caractéristique de la technique de fabrication de Singh est qu'elle ne nécessite pas de matériaux liants supplémentaires. Selon Singh, les matériaux de liaison sont couramment utilisés dans la fabrication de supercondensateurs à base de carbone ou de graphène pour fixer le matériau actif redox sur le collecteur de courant. Sans la masse de matériaux de reliure, l'électrode hybride est un bon candidat pour fabriquer des supercondensateurs légers.

"Les performances électrochimiques et les propriétés des matériaux remarquables suggèrent que la nanostructure hybride noyau/coque d'oxyde de fer et d'oxyde de nickel pourrait être un candidat fiable et prometteur pour la fabrication de la prochaine génération de poids léger, électrodes de supercondensateur économiques et vertes pour une application réelle, " a déclaré Singh.

Le prochain plan des chercheurs est de développer un dispositif complet de supercondensateur basé sur l'électrode hybride et de tester ses performances fonctionnelles, un pas de plus vers la production manufacturière.