Im Zusammenhang mit der „CO2-Neutralität“ haben Superkondensatoren als aufstrebende grüne Energiespeicher Vorteile wie schnelles Laden und Entladen, hohe Leistungsdichte und gute Zyklenleistung gezeigt, die eine Welle der Forschung unter Wissenschaftlern ausgelöst haben. Unter anderem sind Elektrodenmaterialien einer der Schlüsselfaktoren zur Bestimmung der elektrochemischen Leistung von Superkondensatoren. Die mikroskopische Morphologie, der Energiespeichermechanismus, die Kapazität und die Sicherheit von Elektrodenmaterialien werden einen wichtigen Einfluss auf die Leistung und Anwendung von Superkondensatoren haben.
Um die Energiedichte und die elektrochemische Leistung von Superkondensatoren zu verbessern, haben Forscher Übergangsmetalloxide mit hoher theoretischer Kapazität ausgewählt; jedoch stoßen alle pulverförmigen Übergangsmetalloxid-Elektrodenmaterialien auf Probleme, wie z. B. eine kleine spezifische Oberfläche, wenige aktive Stellen und einen strukturellen Zusammenbruch, der durch große und variable Teilchen-/Volumengrößen verursacht wird.
Wenjing Zhang vom Department of Materials Science and Engineering der Jiangsu University und Mitarbeiter haben ein Mangandioxid/Kohlenstoff-Nanoblatt-Verbundmaterial entworfen und hergestellt, um die Morphologie- und Größenverteilungsprobleme von Pulverelektrodenmaterialien anzugehen. Diese Studie wurde veröffentlicht in Grenzen der chemischen Wissenschaft und Technik am 24. Februar 2022.
„Nach der Karbonisierung von Trikaliumcitrat-Monohydrat und der HNO3-Säuerung wurde ein aktives CNS für das gleichmäßige Wachstum von MnO2 auf seiner Oberfläche hergestellt, wodurch MnO2-Körnchen mit ungleichmäßigen Abmessungen und starker Agglomeration eliminiert wurden.“ sagte Zhang.
„Die Aktivierung von HNO3 erzeugte große Mengen an funktionellen Gruppen für die Kombination von CNS- und MnO2-Nanoblättern, die zahlreiche Übertragungs- und Reaktionsstellen für Ionen aus dem Elektrolyten bereitstellten und die elektrochemische Leistung des Verbundwerkstoffs förderten. Die Kohlenstoffmaterialien boten eine hervorragende Leitfähigkeit und Stabilität unter starkem Strom; daher zeigte der Verbundstoff eine viel bessere Ratenfähigkeit.
Dank der einschränkenden und regulierenden Wirkung der ultradünnen Kohlenstoff-Nanoblätter weist das MnO2/CNS-Komposit im Vergleich zu Kohlenstoff-Nanoblatt-Monomer und MnO2-Monomer überlegene elektrochemische Eigenschaften auf: höhere spezifische Kapazität bei gleicher Spannung, bessere multiplikative Leistung bei gleicher Stromdichte, und geringerer Innenwiderstand des Elektrodenmaterials.
„Die Forschung hat gezeigt, dass die ultradünnen Kohlenstoff-Nanoblätter, die aus Trikaliumcitrat-Monohydrat gewonnen werden, als Substrat für das Wachstum von Mangandioxid verwendet werden können“, sagte Xuehua Yan, der Mitautor dieser Studie, der aus der Abteilung stammt der Materialwissenschaft und -technik der Jiangsu University.
„Die elektrochemischen Eigenschaften von Mangandioxid werden durch Anpassung seiner Verteilung effektiv verbessert. Unsere Forschung hat die Idee der Herstellung von pulverförmigen Elektrodenmaterialien erweitert und die Anwendung von Kohlenstoffmaterialien und Übergangsmetalloxiden im Bereich der Energiespeicherung erweitert.“
Wenjing Zhang et al, Trikaliumcitrat-Monohydrat abgeleitete Kohlenstoff-Nanoblätter als kompetenter Helfer für Mangandioxid mit bemerkenswerter Leistung im Superkondensator, Grenzen der chemischen Wissenschaft und Technik (2021). DOI: 10.1007/s11705-021-2065-7
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