High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode

In de moderne wereld groeit de vraag naar schone, draagbare energie sneller dan ooit tevoren. We vertrouwen op batterijen om alles van smartphones tot elektrische auto's aan te sturen, maar traditionele batterijen hebben een beperking: ze doen er lang over om op te laden en kunnen hun energie vaak niet snel genoeg vrijgeven voor taken met een hoog vermogen. Hier komen supercondensatoren in beeld. Denk aan hen als de sprinters van de energiewereld. In tegen tegenstelling tot batterijen, die energie opslaan via trage chemische veranderingen diep in hun structuur, slaan supercondensatoren energie op het oppervlak van hun materialen op, waardoor ze in seconden kunnen opladen en ontladen. Ze hebben echter historisch gezien moeite gehad om evenveel totale energie vast te houden als batterijen. De uitdaging voor wetenschappers is om een supercondensator te bous die zowel snel als krachtig is, in staat om een grote hoeveelheid energie op te slaan zonder de snelheid op te offeren. Om dit te bereiken, moeten onderzoekers de minuscule materialen binnen het apparaat zo ontwerpen dat ze meer oppervlakte en betere paden hebben voor de stroom van elektriciteit.

Een team onderzoekers aan de Harbin University of Commerce heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type supercondensator te creëren die twee verschillende materialen combineert om de prestaties te maximaliseren. Ze richtten zich op een positieve elektrode gemaakt van een verbinding genaamd zinkferriet, die bekend staat om zijn vermogen om energie op te slaan, maar vaak lijdt onder een slechte elektrische geleidbaarheid. Om dit op te lossen, heeft het team het materiaal aangepast door een kleine hoeveelheid van een zeldzaam aardelement genaamd lanthanum toe te voegen. Dit proces, bekend als doteren, werd niet willekeurig uitgevoerd; de onderzoekers controleerden zorgvuldig de timing en de hoeveelheid toegevoegde lanthanum om het perfecte evenwicht te vinden. Ze ontdekten dat het behandelen van het materiaal gedurende twaalf uur met een lanthanumgehalte van 0,5% een unieke, vlokachtige structuur creëerde. Onder een microscoop zag dit materiaal eruit als een stapel dunne, ruwe vellen in plaats van gladde bollen. Deze ruwe, gelaagde vorm is cruciaal omdat het een enorme hoeveelheid oppervlakte biedt waar chemische reacties kunnen plaatsvinden, wat het materiaal effectief meer "parkeerplaatsen" geeft voor elektrische lading.

De onderzoekers hebben ook de negatieve zijde van het apparaat ontworpen met behulp van koolstofnanobuisjes, die ongelooflijk dunne, holle buisjes zijn gemaakt van koolstof. Hoewel deze buisjes van nature sterk en geleidend zijn, heeft het team ze behandeld om hydrofiel te worden, wat betekent dat ze van water houden. Door specifieke chemische groepen aan het oppervlak van de buisjes toe te voegen, hebben ze ervoor gezorgd dat het vloeibare elektrolyt — de zoute wateroplossing die ionen tussen de elektroden transporteert — het materiaal perfect kan bevochtigen. Dit vermindert de weerstand en zorgt ervoor dat ionen vrij en snel kunnen bewegen. Wanneer deze twee geoptimaliseerde materialen samen werden gecombineerd in een asymmetrische supercondensator, waren de resultaten indrukwekkend. Het apparaat vertoonde een hoge capaciteit voor het opslaan van energie, waarbij de positieve elektrode alleen al 426 eenheden capaciteit per gram vasthield. Belangrijker nog, het mechanisme voor energieopslag werd gedomineerd door oppervlaktereacties in plaats van trage diffusie, wat betekent dat het apparaat snel kon opladen en ontladen zonder veel efficiëntie te verliezen.

De prestaties van dit nieuwe apparaat werden getest onder strikte omstandigheden om te zien hoe het standhield in de loop van de tijd en onder stress. Wanneer de supercondensator met hoge snelheden werd opgeladen en ontladen, behield hij een sterk vermogen om energie op te slaan, wat bewees dat het oppervlakgestuurde mechanisme naar behoren werkte. Zelfs na tien duizend cycli bij een hoge stroom behield het apparaat meer dan 83% van zijn oorspronkelijke capaciteit, wat aangeeft dat de materialen stabiel en duurzaam waren. Het uiteindelijke apparaat presteerde beter dan veel vergelijkbare energieopslagsystemen in termen van zowel energiedichtheid, wat is hoeveel vermogen het kan vasthouden, als vermogensdichtheid, wat is hoe snel het dat vermogen kan vrijgeven. Door succesvol een met lanthanum gedoteerde zinkferriet positieve elektrode te combineren met hydrofiele koolstofnanobuisjes, hebben de onderzoekers een blauwdruk gecreëerd voor een nieuwe generatie supercondensatoren die op een dag elektrische voertuigen en draagbare elektronica met meer snelheid en efficiëntie kunnen voeden dan de huidige technologieën dat toelaten.