Neue Forschungsergebnisse verbessern Hybrid-Superkondensatoren durch die Schaffung effizienterer Elektroden und stellen einen großen Fortschritt in der Energiespeichertechnologie dar. Superkondensatoren sind wie Batterien Energiespeicher. Batterien speichern Energie jedoch elektrochemisch, während Superkondensatoren Energie elektrostatisch speichern, d. h. durch die Ansammlung von Ladung auf der Elektrodenoberfläche.
Hybrid-Superkondensatoren (HSCs) kombinieren batterieartige Elektroden und kondensatorartige Elektroden und vereinen so die Vorteile beider Systeme. Obwohl Synthesetechniken es ermöglichen, die Wirkstoffe in HSC-Elektroden direkt auf leitfähigen Substraten zu züchten, ohne dass Bindemittel hinzugefügt werden müssen („selbsttragende“ Elektroden), ist der Anteil aktiver Materialien in diesen Elektroden immer noch zu gering, um den kommerziellen Bedarf zu decken.
Jetzt haben Forscher einen genialen Weg gefunden, den Anteil der Wirkstoffe zu erhöhen und so wesentliche Verbesserungen bei wichtigen Kennzahlen zu erzielen.
„Hybrid-Superkondensatoren vereinen die Vorteile einer hohen Energie- und Leistungsdichte, einer langen Zyklenlebensdauer und Sicherheit und haben sich zu einer vielversprechenden Spitzentechnologie im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung entwickelt“, sagte Guo Wei, Erstautor der Studie und Wissenschaftler an der Northwestern Polytechnical University in China. „In unserer Arbeit schlagen wir einen neuen Mechanismus zur Schaffung einer Familie multifunktionaler zweidimensionaler Aufbauten vor, der das niedrige Aktiv-zu-Masse-Verhältnis herkömmlicher selbsttragender Elektroden überwindet.“
In dieser Arbeit untersuchten die Forscher β-Ni(OH)2, eine Form von Nickelhydroxid, die aus Lösung zu dünnen plattenartigen Strukturen auf Kohlenstofffasersubstraten kristallisieren kann. Durch Zugabe von NH4F zur Reaktionslösung kann ein Hydroxidion durch ein Fluoridion ersetzt werden. Es entsteht eine Ni-F-OH-Platte mit einer Dicke von 700 nm und einer Massenbelastung (aktive Masse pro Quadratzentimeter) von bis zu 29,8 mg cm-2, was 72 % der Elektrodenmasse ausmacht.
Um den Bildungsmechanismus der neuen Morphologie zu verstehen, führten die Forscher eine Reihe theoretischer und experimenteller Analysen durch, darunter Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an den Strahllinien 7.3.1 und 8.0.1 der Advanced Light Source (ALS) und Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie (STXM) an der Strahllinie 5.3.2.2.
Die Ergebnisse zeigen, dass die hinzugefügten F-Ionen die Oberflächenenergie der Platte modulieren (ein wichtiger Faktor beim Nanokristallwachstum), während die NH4+-Ionen überschüssiges lokales OH- verbrauchen und so die Neubildung der unerwünschten β-Ni(OH)2-Phase hemmen. Darüber hinaus können Forscher auf der Grundlage derselben Methode auch andere bimetallische Überstrukturen und deren Derivate herstellen, was die Entstehung einer neuen Familie multifunktionaler Hydroxide auf Metallbasis markiert, die in neuen Energiespeichersystemen verwendet werden können, um zukünftige Anforderungen zu erfüllen.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily