Os supercapacitores podem armazenar mais energia e são preferíveis às baterias porque são capazes de carregar mais rápido, principalmente devido às nanofolhas verticais de grafeno (VGNs) que são maiores e posicionadas mais próximas. VGNs são redes 3-D de nanomateriais de carbono que crescem em fileiras de folhas verticais, fornecendo uma grande área de superfície para maior capacidade de armazenamento de carga. Também chamados de nanowalls de carbono ou nanoflakes de grafeno, Os VGNs são promissores em sistemas de armazenamento de energia de alta potência, células de combustível, bio-sensores e dispositivos magnéticos, entre outros.

Usar VGNs como material para eletrodos supercapacitores oferece vantagens devido às suas propriedades intrigantes, como uma nanoarquitetura porosa interconectada, excelente condutividade, alta estabilidade eletroquímica, e sua matriz de nanoeletrodos. As vantagens dos VGNs podem ser aumentadas dependendo de como o material é cultivado, tratado e preparado para trabalhar com eletrólitos.

"O desempenho de um supercapacitor não depende apenas da geometria do material do eletrodo, mas também depende do tipo de eletrólito e sua interação com o eletrodo, "disse Subrata Ghosh, do Centro Indira Gandhi de Pesquisa Atômica do Instituto Nacional Homi Bhabha." Para melhorar a densidade de energia de um dispositivo, o potencial de aumento da janela [elétrica] será um fator chave. "

Em artigo publicado esta semana no Journal of Applied Physics , Ghosh e uma equipe de pesquisadores descobriram maneiras de melhorar as propriedades de supercapacitância do material.

De acordo com a modelagem, Os VGNs devem ser capazes de fornecer recursos de armazenamento de alta carga, e a comunidade científica está tentando desbloquear as chaves para atingir os níveis de eficiência teoricamente disponíveis. As melhorias necessárias para ser viável incluem, por exemplo, maior capacitância por unidade de material, maior retenção, menos resistência interna, e maiores faixas de tensão eletroquímica (janelas de potencial operacional).

"Nossa motivação era melhorar o desempenho do VGN, "Disse Ghosh." Adotamos duas estratégias. Um está inventando um novo eletrólito, e outro está melhorando a estrutura VGN por ativação química. A combinação de ambos melhora o desempenho de armazenamento de carga notavelmente. "

A equipe de pesquisadores tratou VGNs com hidróxido de potássio (KOH) para ativar os eletrodos e, em seguida, permitiu que os eletrodos tratados interagissem com um eletrólito híbrido, testar a formação da camada dupla elétrica na interface eletrodo / eletrólito. Eles também examinaram a morfologia, molhabilidade da superfície, eficiência columbica e capacitância de área de VGN.

O novo eletrólito que eles criaram é um híbrido que combina as vantagens dos eletrólitos aquosos e orgânicos para uma nova versão híbrida organo-aquosa que trabalha para aumentar o desempenho do supercapacitor de VGNs. Usando um sal orgânico, Tetrafluoroborato de tetraetilamônio (TEABF4), em uma solução aquosa ácida de ácido sulfúrico (H2SO4), eles criaram um eletrólito que estendeu a janela de operação do dispositivo.

A melhoria da arquitetura VGN foi associada ao processo de ativação do KOH, que enxertou o grupo funcional de oxigênio no eletrodo, melhor molhabilidade do eletrodo, reduziu a resistência interna e forneceu uma melhoria de cinco vezes na capacitância dos VGNs. A abordagem de ativação no artigo pode ser aplicada a outros dispositivos supercapacitores que são baseados em nanoarquitetura, Ghosh disse.

"Eletrólitos aquosos e orgânicos são amplamente utilizados, mas eles têm suas próprias vantagens e desvantagens, ", disse ele." Daí surge o conceito de eletrólito híbrido. "