p Como um novo dispositivo de armazenamento de energia, supercapacitores têm atraído atenção substancial nos últimos anos devido à sua carga ultra-alta e taxa de descarga, excelente estabilidade, ciclo de vida longo e densidade de potência muito alta. Imagine carregar seu celular em apenas alguns segundos ou abastecer um carro elétrico em apenas alguns minutos, que fazem parte do futuro promissor que os supercapacitores podem oferecer. p Compensar essa promessa é o fato de que, enquanto os supercapacitores têm potencial para carregar mais rápido e durar mais do que as baterias convencionais, eles também precisam ser muito maiores em tamanho e massa para manter a mesma energia elétrica que as baterias. Assim, muitos cientistas estão trabalhando para desenvolver o verde, leve, supercapacitores de baixo custo com alto desempenho.

p Agora, dois pesquisadores do S.N. Bose National Center for Basic Sciences, Índia, desenvolveram um novo eletrodo supercapacitor com base em uma nanoestrutura híbrida feita de uma casca externa híbrida de óxido de níquel-óxido de ferro e um núcleo condutor de ferro-níquel.

p Em artigo publicado esta semana no Journal of Applied Physics , da AIP Publishing, os pesquisadores relatam a técnica de fabricação do eletrodo de nanoestrutura híbrida. Eles também demonstram seu desempenho superior em comparação com os existentes, eletrodos de supercapacitores não híbridos. Uma vez que o óxido de níquel e o óxido de ferro são materiais ecológicos e baratos que estão amplamente disponíveis na natureza, o novo eletrodo promete supercapacitores verdes e de baixo custo no futuro.

p "Este eletrodo híbrido mostra o desempenho eletroquímico superior em termos de alta capacitância [a capacidade de armazenar carga elétrica] de quase 1415 farad por grama, alta densidade de corrente de 2,5 amperes por grama, baixa resistência e alta densidade de potência, "disse Ashutosh K. Singh, o pesquisador principal do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciências dos Materiais do S.N. Bose National Center for Basic Sciences. "Ele também tem uma estabilidade de ciclismo de longo prazo, em outras palavras, o eletrodo pode reter quase 95 por cento da capacitância inicial após o ciclo ou carregar e descarregar 3, 000 vezes. "

p A promessa dos supercapacitores

p Supercapacitores são dispositivos eletrônicos usados ​​para armazenar uma quantidade extremamente grande de cargas elétricas. Eles também são conhecidos como capacitores eletroquímicos, e eles prometem alta densidade de potência, capacidade de alta taxa, excelente estabilidade de ciclo e alta densidade de energia.

p Em dispositivos de armazenamento de energia, armazenar uma carga elétrica é chamado de "densidade de energia, "uma distinção de" densidade de potência, "que se refere à rapidez com que a energia é fornecida. Os capacitores convencionais têm alta densidade de energia, mas baixa densidade de energia, o que significa que eles podem carregar e descarregar rapidamente e liberar uma explosão de energia elétrica em um curto espaço de tempo, mas eles não podem conter uma grande quantidade de cargas elétricas.

p Baterias convencionais, por outro lado, são o oposto. Eles têm alta densidade de energia ou podem armazenar muita energia elétrica, mas pode levar horas para carregar e descarregar. Supercapacitores são uma ponte entre capacitores convencionais e baterias, combinando as propriedades vantajosas de alta potência, alta densidade de energia e baixa resistência interna, que pode substituir as baterias rapidamente, fonte de energia confiável e potencialmente mais segura para dispositivos eletrônicos elétricos e portáteis no futuro, disse Singh.

p Em supercondensadores, alta capacitância, ou a capacidade de armazenar uma carga elétrica, é fundamental para atingir maior densidade de energia. Enquanto isso, para alcançar uma densidade de potência mais alta, é fundamental ter uma grande área de superfície eletroquimicamente acessível, alta condutividade elétrica e vias curtas de difusão de íons. Os materiais ativos nanoestruturados fornecem um meio para esses fins.

p Como os cientistas construíram o novo eletrodo

p Inspirado por pesquisas anteriores sobre como melhorar a condutividade por meio de dopagem de diferentes materiais de óxido de metal, Singh e Kalyan Mandal, outro pesquisador e professor do Centro Nacional de Ciências Básicas S. N. Bose, misturou óxido de níquel e óxido de ferro como um material híbrido e fabricou o novo eletrodo de nanoestrutura núcleo / casca.

p "Mudando os materiais e morfologias do eletrodo, pode-se manipular o desempenho e a qualidade dos supercapacitores, "Singh disse.

p No experimento de Singh, a nanoestrutura híbrida núcleo / casca foi fabricada por meio de um método de duas etapas. Usando uma técnica de eletrodeposição padrão, os pesquisadores cultivaram matrizes de nanofios de ferro-níquel dentro dos poros de modelos de óxido de alumina anodizado, em seguida, dissolveu os modelos para obter os nanofios híbridos nus. Depois disso, os pesquisadores expuseram os nanofios em um ambiente de oxigênio em alta temperatura (450 graus Celsius) por um curto período, eventualmente desenvolvendo uma casca híbrida de óxido de ferro-óxido de níquel altamente porosa em torno do núcleo de ferro-níquel.

p "A vantagem desta nanoestrutura híbrida núcleo / casca é que a nanocamada altamente porosa fornece uma área de superfície muito grande para reações redox e reduz a distância para o processo de difusão de íons, "disse Singh. Ele explicou que os supercondensadores armazenam cargas por meio de um processo químico conhecido como reação redox, que envolve um material que libera elétrons e transporta íons através de outro material na interface entre o eletrodo e o eletrólito. Superfícies de reação redox maiores são essenciais para alcançar uma densidade de potência mais alta para supercapacitores.

p "Além disso, o núcleo condutor Fe-Ni fornece uma rodovia para acelerar o transporte de elétrons para o coletor de corrente, o que melhoraria a condutividade e as propriedades eletroquímicas do eletrodo, percebendo supercapacitores de alto desempenho, "Singh observou.

p Como o novo eletrodo funcionou

p Usando técnicas chamadas voltametria cíclica e métodos de carga / descarga galvanostática, Singh e Mandal estudaram as propriedades eletroquímicas do eletrodo de material híbrido. Comparando com a contraparte, eletrodos não híbridos como níquel / óxido de níquel e eletrodos de nanoestrutura de núcleo / casca de óxido de ferro / ferro, o eletrodo de material híbrido demonstrou maior capacitância, maior densidade de energia e maior tempo de carga / descarga.

p "Por exemplo, a densidade de corrente do eletrodo híbrido é três e 24 vezes maior do que a dos eletrodos de níquel / óxido de níquel e ferro / óxido de ferro, respectivamente, "Disse Singh." Os resultados comparativos mostram um notável enriquecimento nas atividades eletroquímicas dos eletrodos de níquel / óxido de níquel e ferro / óxido de ferro após combiná-los, o que sugere as melhores propriedades supercapacitivas do eletrodo híbrido. "

p Uma característica da técnica de fabricação de Singh é que ela não requer materiais de ligação extras. De acordo com Singh, materiais de ligação são comumente usados ​​na fabricação de supercapacitores à base de carbono ou grafeno para anexar o material ativo redox no coletor de corrente. Sem a massa de materiais de ligação, o eletrodo híbrido é um bom candidato para fazer supercondensadores leves.

p "Os notáveis ​​desempenhos eletroquímicos e propriedades do material sugerem que a nanoestrutura híbrida de óxido de ferro-óxido de níquel pode ser um candidato confiável e promissor para fabricar a próxima geração de peso leve, eletrodos de supercapacitor verde e de baixo custo para aplicação na vida real, "Singh disse.

p O próximo plano dos pesquisadores é desenvolver um dispositivo supercapacitor completo baseado no eletrodo híbrido e testar seu desempenho funcional, um passo mais perto da produção industrial.