Supercapacitores podem ser carregados e descarregados dezenas de milhares de vezes, mas sua densidade de energia relativamente baixa em comparação com as baterias convencionais limita sua aplicação para armazenamento de energia. Agora, Os pesquisadores do A * STAR desenvolveram um supercapacitor 'assimétrico' baseado em nitretos metálicos e grafeno que poderia ser uma solução viável de armazenamento de energia.

A viabilidade de um supercapacitor é amplamente determinada pelos materiais dos quais seus ânodos e cátodos são compostos. Esses eletrodos devem ter uma grande área de superfície por unidade de peso, alta condutividade elétrica e capacitância e ser fisicamente robusto para que não se degradem durante a operação em ambientes líquidos ou hostis.

Ao contrário dos supercapacitores tradicionais, que usam o mesmo material para ambos os eletrodos, o ânodo e o cátodo em um supercapacitor assimétrico são feitos de materiais diferentes. Os cientistas inicialmente usaram óxidos de metal como eletrodos supercapacitores assimétricos, mas, como os óxidos de metal não têm condutividades elétricas particularmente altas e se tornam instáveis ​​ao longo de longos ciclos de operação, estava claro que uma alternativa melhor era necessária.

Nitretos metálicos, como nitreto de titânio, que oferecem alta condutividade e capacitância, são uma alternativa promissora, mas tendem a se oxidar em ambientes aquosos, o que limita sua vida útil como eletrodo. Uma solução para isso é combiná-los com materiais mais estáveis.

Hui Huang do Instituto de Tecnologia de Fabricação de Cingapura da A * STAR e seus colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang e da Universidade de Jinan, China, fabricaram supercapacitores assimétricos que incorporam eletrodos de nitreto de metal com folhas empilhadas de grafeno.

Para obter o máximo benefício da superfície de grafeno, a equipe usou um método preciso para a criação de filmes finos, um processo conhecido como deposição de camada atômica, para cultivar dois materiais diferentes em nanofolhas de grafeno alinhadas verticalmente:nitreto de titânio para o cátodo do supercapacitor e nitreto de ferro para o ânodo. O cátodo e o ânodo foram então aquecidos a 800 e 600 graus Celsius, respectivamente, e pode esfriar lentamente. Os dois eletrodos foram então separados no supercapacitor assimétrico por um eletrólito de estado sólido, que evitou a oxidação dos nitretos metálicos.

Os pesquisadores testaram seus dispositivos supercapacitores e mostraram que eles podiam fazer um ciclo de 20, 000 vezes e exibiu alta capacitância e alta densidade de potência. "Essas melhorias são devido à área de superfície ultra-alta do substrato de grafeno alinhado verticalmente e ao método de deposição da camada atômica que permite o uso total dele, "diz Huang." Em pesquisas futuras, queremos aumentar a tensão de trabalho do dispositivo para aumentar ainda mais a densidade de energia, "diz Huang.