Como novedoso dispositivo de almacenamiento de energía, Los supercondensadores han atraído una atención sustancial en los últimos años debido a su tasa de carga y descarga ultra alta, excelente estabilidad, ciclo de vida largo y densidad de potencia muy alta. Imagínese cargar su teléfono celular en solo unos segundos o cargar un automóvil eléctrico en solo unos minutos, que son parte del futuro prometedor que podrían ofrecer los supercondensadores.

Contrarrestando esta promesa está el hecho de que, mientras que los supercondensadores tienen el potencial de cargarse más rápido y durar más que las baterías convencionales, también necesitan ser mucho más grandes en tamaño y masa para contener la misma energía eléctrica que las baterías. Por lo tanto, muchos científicos están trabajando para desarrollar verde, ligero, supercondensadores de bajo costo con alto rendimiento.

Ahora dos investigadores de la S.N. Centro Nacional Bose de Ciencias Básicas, India, han desarrollado un nuevo electrodo supercondensador basado en una nanoestructura híbrida hecha de una cubierta exterior híbrida de óxido de níquel-óxido de hierro y un núcleo conductor de hierro-níquel.

En un artículo publicado esta semana en el Revista de física aplicada , de AIP Publishing, los investigadores informan sobre la técnica de fabricación del electrodo de nanoestructura híbrido. También demuestran su rendimiento superior en comparación con los existentes, electrodos supercondensadores no híbridos. Dado que el óxido de níquel y el óxido de hierro son materiales económicos y respetuosos con el medio ambiente que están ampliamente disponibles en la naturaleza, el nuevo electrodo promete supercondensadores ecológicos y de bajo costo en el futuro.

"Este electrodo híbrido muestra un rendimiento electroquímico superior en términos de alta capacitancia [la capacidad de almacenar carga eléctrica] de casi 1415 faradios por gramo, alta densidad de corriente de 2,5 amperios por gramo, baja resistencia y alta densidad de potencia, "dijo Ashutosh K. Singh, el investigador principal del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencias de los Materiales de la S.N. Centro Nacional Bose de Ciencias Básicas. "También tiene una estabilidad cíclica a largo plazo, en otras palabras, el electrodo podría retener casi el 95 por ciento de la capacitancia inicial después de ciclar o cargar y descargar 3, 000 veces ".

La promesa de los supercondensadores

Los supercondensadores son dispositivos electrónicos que se utilizan para almacenar una gran cantidad de cargas eléctricas. También se conocen como condensadores electroquímicos, y prometen una alta densidad de potencia, capacidad de alta tasa, excelente estabilidad de ciclo y alta densidad de energía.

En dispositivos de almacenamiento de energía, almacenar una carga eléctrica se llama "densidad de energía, "una distinción de" densidad de potencia, "que se refiere a la rapidez con la que se entrega la energía. Los condensadores convencionales tienen alta densidad de potencia pero baja densidad de energía, lo que significa que pueden cargar y descargar rápidamente y liberar una ráfaga de energía eléctrica en poco tiempo, pero no pueden contener una gran cantidad de cargas eléctricas.

Baterías convencionales, por otra parte, son lo contrario. Tienen una alta densidad de energía o pueden almacenar mucha energía eléctrica, pero puede tardar horas en cargarse y descargarse. Los supercondensadores son un puente entre los condensadores convencionales y las baterías, combinando las ventajosas propiedades de alta potencia, alta densidad de energía y baja resistencia interna, que puede reemplazar las baterías rápidamente, fuente de energía confiable y potencialmente más segura para dispositivos electrónicos eléctricos y portátiles en el futuro, dijo Singh.

En supercondensadores, alta capacitancia, o la capacidad de almacenar una carga eléctrica, es fundamental para lograr una mayor densidad energética. Mientras tanto, para lograr una mayor densidad de potencia, es fundamental tener una gran superficie accesible electroquímicamente, alta conductividad eléctrica y vías cortas de difusión de iones. Los materiales activos nanoestructurados proporcionan un medio para estos fines.

Cómo los científicos construyeron el nuevo electrodo

Inspirado en investigaciones anteriores sobre la mejora de la conductividad mediante el dopado de diferentes materiales de óxidos metálicos, Singh y Kalyan Mandal, otro investigador y profesor del Centro Nacional de Ciencias Básicas S. N. Bose, mezcló óxido de níquel y óxido de hierro como material híbrido y fabricó el nuevo electrodo de nanoestructura de núcleo / carcasa.

"Al cambiar los materiales y las morfologías del electrodo, se puede manipular el rendimiento y la calidad de los supercondensadores, "Dijo Singh.

En el experimento de Singh, la nanoestructura híbrida núcleo / capa se fabricó mediante un método de dos pasos. Usando una técnica estándar de electrodeposición, los investigadores cultivaron matrices de nanocables de hierro y níquel dentro de los poros de las plantillas de óxido de alúmina anodizado, luego disolvió las plantillas para obtener los nanocables híbridos desnudos. Después, los investigadores expusieron los nanocables en un entorno de oxígeno a alta temperatura (450 grados Celsius) durante un corto tiempo, eventualmente desarrollando una capa híbrida de óxido de hierro-óxido de níquel altamente porosa alrededor del núcleo de hierro-níquel.

"La ventaja de esta nanoestructura híbrida de núcleo / capa es que la nanocapa de capa altamente porosa proporciona un área de superficie muy grande para las reacciones redox y reduce la distancia para el proceso de difusión de iones, ", dijo Singh. Explicó que los supercondensadores almacenan cargas a través de un proceso químico conocido como reacción redox, que implica un material que cede electrones y transporta iones a través de otro material en la interfaz entre el electrodo y el electrolito. Las superficies de reacción redox más grandes son esenciales para lograr una mayor densidad de potencia para los supercondensadores.

"Es más, el núcleo conductor de Fe-Ni proporciona una autopista para acelerar el transporte de electrones al colector de corriente, que mejoraría la conductividad y las propiedades electroquímicas del electrodo, la realización de supercondensadores de alto rendimiento, "Señaló Singh.

Cómo se desempeñó el nuevo electrodo

Usando técnicas llamadas voltamperometría cíclica y métodos de carga / descarga galvanostática, Singh y Mandal estudiaron las propiedades electroquímicas del electrodo de material híbrido. Comparando con la contraparte, electrodos no híbridos como níquel / óxido de níquel y electrodos de nanoestructura de núcleo / carcasa de hierro / óxido de hierro, el electrodo de material híbrido demostró una mayor capacitancia, mayor densidad de energía y mayor tiempo de carga / descarga.

"Por ejemplo, la densidad de corriente del electrodo híbrido es tres y 24 veces mayor que la de los electrodos de níquel / óxido de níquel y hierro / óxido de hierro, respectivamente, Singh dijo. Los resultados comparativos muestran un notable enriquecimiento en las actividades electroquímicas de los electrodos de níquel / óxido de níquel y hierro / óxido de hierro después de combinarlos. lo que sugiere las mejores propiedades supercapacitivas del electrodo híbrido ".

Una característica de la técnica de fabricación de Singh es que no requiere materiales aglutinantes adicionales. Según Singh, Los materiales aglutinantes se utilizan comúnmente en la fabricación de supercondensadores basados ​​en carbono o grafeno para unir material activo redox en el colector de corriente. Sin la masa de materiales aglutinantes, el electrodo híbrido es un buen candidato para fabricar supercondensadores ligeros.

"El notable rendimiento electroquímico y las propiedades del material sugieren que la nanoestructura híbrida de núcleo / carcasa de óxido de hierro y óxido de níquel podría ser un candidato confiable y prometedor para fabricar el peso ligero de próxima generación, electrodos de supercondensador ecológicos y de bajo costo para aplicaciones de la vida real, "Dijo Singh.

El próximo plan de los investigadores es desarrollar un dispositivo supercondensador completo basado en el electrodo híbrido y probar su rendimiento funcional. un paso más hacia la producción manufacturera.