Graphene-Engineered NiFe-LDH Nanocomposites with Surface- Controlled Charge Storage for High-Performance Supercapacitors

De wereld hunkert naar betere manieren om energie op te slaan. Terwijl we bewegen van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare bronnen zoals wind en zon, hebben we apparaten nodig die uitbarstingen van kracht kunnen opvangen en direct kunnen vrijgeven. Supercondensatoren zijn de specialisten voor deze taak. In tegenstelling tot batterijen, die energie langzaam opslaan en over een lange tijd vrijgeven, fungeren supercondensatoren als een sprinter: ze kunnen in seconden opladen en ontladen, waardoor ze enorme hoeveelheden vermogen leveren wanneer dat nodig is. Ze hebben echter een zwakte. Hoewel ze snel zijn, kunnen ze vaak niet zoveel energie vasthouden als een batterij, en de materialen die worden gebruikt om ze te bouwen kunnen fragiel of traag zijn in het geleiden van elektriciteit. Om deze apparaten echt bruikbaar te maken voor de toekomst, zoeken wetenschappers naar materialen die zowel snel als sterk zijn, in staat om een lading vast te houden zonder uit elkaar te vallen na herhaaldelijk gebruik.

In een recente studie zetten onderzoekers zich bezig met het oplossen van een specifiek probleem met een veelbelovend materiaal genaamd nikkel-ijzer gelaagde dubbelhydroxide, of NiFe-LDH. Dit materiaal is uitstekend in het opslaan van energie door middel van chemische reacties, maar het heeft twee grote gebreken. Ten eerste is het een slechte geleider van elektriciteit, wat betekent dat de energie binnen het materiaal blijft hangen in plaats van naar buiten te stromen om een apparaat van stroom te voorzien. Ten tweede hebben de minuscule plaatjes waaruit het materiaal bestaat de neiging om samen te klonteren als nat papier, waardoor de paden blokkeren die ionen moeten afleggen. Om dit op te lossen, creëerde het team een nieuw hybride materiaal door de nikkel-ijzerplaten direct op een rooster van grafeen te laten groeien. Grafeen is een vorm van koolstof die slechts één atoom dik is, maar ongelooflijk sterk en geleidend. Door een eenvoudig verhittingsproces in water te gebruiken, smolten ze deze twee materialen samen, waardoor een structuur ontstond waarbij het grafeen fungeert als een snelweg voor elektriciteit en als een afstandhouder om te voorkomen dat de energieopslagende platen aan elkaar plakken.

De resultaten van deze engineering waren opmerkelijk. Wanneer de onderzoekers hun nieuwe composiet testten, ontdekten ze dat het grafeen de prestaties van het materiaal had getransformeerd. Het pure nikkel-ijzer materiaal kon een bepaalde hoeveelheid lading opslaan, maar wanneer het werd gecombineerd met grafeen, sprong het vermogen om energie vast te houden aanzienlijk omhoog. Bij een standaard testsnelheid sloeg het nieuwe materiaal meer dan twee keer zoveel energie op als het origineel, waarbij het een specifieke capaciteit bereikte van 953 eenheden per gram, vergeleken met slechts 400 voor de ongewijzigde versie. Deze verbetering ging niet alleen over het vasthouden van meer energie; het ging ook over hoe snel die energie kon worden gebruikt. Het nieuwe materiaal behield zijn hoge prestaties zelfs wanneer de vraag naar vermogen toenam, terwijl het oorspronkelijke materiaal moeite had en zijn lading snel verloor.

Het geheim van dit succes ligt in de manier waarop de elektriciteit en de ionen door het materiaal bewegen. In de oorspronkelijke nikkel-ijzerplaten was de beweging van lading traag en loom, waarbij vertrouw werd op ionen die diep in het materiaal moesten diffunderen, een proces dat tijd kost en energieverlies veroorzaakt. Het grafeen veranderde de regels. Omdat de grafeenplaten een snel, continu pad voor elektronen boden, veranderde de opslag van lading in een proces aan het oppervlak. Dit betekent dat de energie bijna onmiddellijk opgeslagen en vrijgegeven kon worden, precies op de interface waar de materialen elkaar raken, in plaats van te wachten tot ionen diep in het materiaal ronddwalen. De onderzoekers bevestigden dit door te meten hoe gemakkelijk elektriciteit door het materiaal kon stromen; de weerstand daalde drastisch, wat bewees dat het grafeen succesvol een hoogwaardig netwerk voor de elektronen had gecreëerd.

Naast snelheid en capaciteit is de meest kritieke test voor elk energieopslagapparaat hoe lang het meegaat. Supercondensatoren worden verwacht duizenden keren te kunnen laden en ontladen zonder te falen. Het oorspronkelijke nikkel-ijzer materiaal begon snel te degraderen, waarbij het bijna een derde van zijn capaciteit verloor na 6.000 cycli. Dit gebeurde omdat de platen samenklonterden en het materiaal fysiek afbrak onder de stress van herhaalde chemische veranderingen. De door grafeen versterkte versie vertelde een ander verhaal. Na dezelfde 6.000 cycli behield het meer dan 90 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit. Het grafeen fungeerde als een flexibel, duurzaam skelet dat de fragiele platen op hun plaats hield, waardoor ze niet instortten of aan elkaar plakten. Het absorbeerde de fysieke stress van het laadproces, waardoor de structuur intact bleef en de elektrische paden open bleven.

Dit werk demonstreert dat de manier waarop we materialen ordenen even belangrijk is als de materialen zelf. Door simpelweg een laag grafeen toe te voegen aan een bekende energieopslagverbinding, transformeerden de onderzoekers een trage, fragiele stof in een krachtig hoogwaardig systeem. Het nieuwe composiet biedt een zeldzame combinatie van hoge energieopslag, snelle vermogenslevering en uitzonderlijke duurzaamheid. Het suggereert dat de weg naar betere supercondensatoren niet noodzakelijkerwijs het uitvinden van volledig nieuwe chemicaliën vereist, maar eerder het vinden van de juiste manier om bestaande stoffen te combineren. Het grafeen fungeert zowel als geleider als bewaker, waardoor de energie die in de nikkel-ijzerplaten is opgeslagen, snel en betrouwbaar kan worden ontsloten, cyclus na cyclus.