Nieuwe strategie om pseudocapacitieve prestaties van micro-supercondensatoren te verbeteren

Grafisch abstract. Credit: ACS Energiebrieven (2022). DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00329

Op grafeen gebaseerde micro-supercondensatoren (EG-MSC’s) combineren de verschillende eigenschappen van grafeen en de voordelen van een vlakke apparaatconfiguratie om de ladingsopslag te maximaliseren. Daarom kunnen ze flexibelere, kleinere en dunnere apparaten bieden.

De beperkte elektrische dubbellaagscapaciteit van grafeen en het smalle spanningsvenster van waterige elektrolyten beperken hun verdere toepassing echter.

Onlangs heeft een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van prof. Wu Zhongshuai en prof. Fu Qiang van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) een strategie voorgesteld om de capaciteit van op grafeen gebaseerde vlakke MSC’s te vergroten. door sterk geconcentreerde water-in-zout ambipolaire redoxelektrolyt (ZnI₂ + ZnCl₂).

Deze studie is gepubliceerd in ACS Energiebrieven op 19 april.

Het gebruik van redox-actieve elektrolyten om grafeenelektroden te stimuleren is een zeer efficiënte strategie om de capacitieve prestaties van MSC’s te verbeteren.

Eerder gerapporteerde redox-mediatoren konden echter slechts een bepaalde capaciteit bieden voor een enkele elektrode, wat leidt tot een beperkte energiedichtheid vanwege de ongeëvenaarde capaciteiten van twee elektroden.

In deze studie ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe, sterk geconcentreerde water-in-zout ambipolaire redoxelektrolyt waarbij één ambipolaire mediator (ZnI₂) kon twee redox-paren aanbieden (I^–/L₂ en Zn/Zn²⁺) native, met gematchte ladingsopslag.

Met deze twee soorten konden twee elektronen synchroon en afzonderlijk worden geoxideerd aan de positieve elektrode en aan de negatieve elektrode worden gereduceerd, waardoor een grote pseudocapacitieve bijdrage voor EG-MSC’s werd geboden.

Ze hebben een hoge volumetrische capaciteit van 106 mAh/cm gerealiseerd³energiedichtheid van 111 mWh/cm³en langdurige fietsstabiliteit met 92,1% retentie na 5.300 cycli.

In situ-karakteriseringen bevestigden dat deze goede prestaties werden toegeschreven aan de gefrustreerde zelfontlading door de vorming en diffusie van polyjodide-ionen van I te onderdrukken.₃^– en ik₅^–.

Bovendien vertoonden EG-MSC’s stabiele fietsprestaties bij -20 graden Celsius, dankzij het verlaagde vriespunt van water door sterke interacties tussen watermoleculen en zinkionen.

“Dit werk opent een nieuwe weg voor de introductie van ambipolaire redoxmediatoren in sterk geconcentreerde elektrolyten voor hoogwaardige MSC’s”, zei prof. Wu.