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May 28, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 23289 (2016) Citare questo articolo

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I supercondensatori asimmetrici (ASC) ad alte prestazioni completamente allo stato solido sono fabbricati utilizzando γ-MnS come elettrodo positivo e carbone attivo poroso derivato da melanzane (EDAC) come elettrodo negativo con gel di agar saturo di idrossido di potassio come elettrolita solido. La nanostruttura laminare della wurtzite di γ-MnS facilita l'inserimento degli ioni ossidrile nello spazio interstrato e il nanofilo di solfuro di manganese offre canali di trasporto elettronico. La nanostruttura porosa di dimensioni uniformi dell'EDAC fornisce un percorso elettronico continuo e facilita brevi percorsi di trasporto ionico. A causa di queste speciali nanostrutture sia dell'MnS che dell'EDAC, hanno mostrato una capacità specifica di 573,9 e 396 F g−1 a 0,5 A g−1, rispettivamente. Il supercondensatore asimmetrico MnS//EDAC ottimizzato mostra prestazioni superiori con una capacità specifica di 110,4 F g−1 e una ritenzione della capacità dell'89,87% dopo 5000 cicli, un'elevata densità di energia di 37,6 Wh kg−1 con una densità di potenza di 181,2 W kg−1 e rimane 24,9 Wh kg−1 anche a 5976 W kg−1. Sorprendentemente, queste due celle a stato solido assemblate in serie possono illuminare un indicatore LED rosso per 15 minuti dopo la carica completa. Questi risultati impressionanti rendono questi materiali non inquinanti promettenti per applicazioni pratiche in ASC solidi a base di elettroliti acquosi.

Il supercondensatore, in quanto dispositivo avanzato di accumulo dell'energia, possiede molteplici proprietà desiderabili tra cui elevata densità di potenza, capacità di carica/scarica rapida ed eccellente stabilità del ciclo, che si spera soddisfino la domanda in crescita esponenziale dell'elettronica di consumo1,2. Tuttavia, fino ad ora, la maggior parte dei supercondensatori disponibili in commercio hanno una bassa densità di energia (<10 Wh kg−1), che ne ha limitato l'applicazione come fonti di energia primaria per sostituire le batterie3,4. Si noti che la densità di energia (E), indicata come E = CV2/2, può essere migliorata aumentando la capacità specifica (C) dei materiali degli elettrodi e/o estendendo la finestra del potenziale operativo (V). Attualmente vengono utilizzate due strategie per estendere la finestra del potenziale operativo: utilizzare elettroliti organici (fino a 4 V) o sviluppare supercondensatori asimmetrici (ASC)4. Rispetto all'elettrolita acquoso, gli elettroliti organici possono fornire una migliore stabilità elettrochimica agli elettrodi, che tuttavia solitamente soffrono di conduttività ionica limitata, scarsa sicurezza e tossicità5,6. Pertanto, la progettazione ASC negli elettroliti acquosi è un approccio efficiente per estendere la finestra del potenziale operativo e fornire un'effettiva densità energetica. Questi supercondensatori asimmetrici sono solitamente composti da un elettrodo faradaico di tipo batteria (come fonte di energia) e un elettrodo di tipo condensatore (come fonte di energia), che offre la superiorità sia del materiale di tipo batteria (densità di energia) che del condensatore materiale di tipo diverso (durata del ciclo, velocità di trasferimento degli elettroni)7,8. Nel frattempo, le ASC possono sfruttare appieno le diverse finestre di potenziale dei materiali degli elettrodi, fornendo di conseguenza una finestra di potenziale massima nel sistema cellulare7,9. Pertanto, la selezione dei materiali adeguati sia per gli elettrodi positivi che per quelli negativi per assemblare un ASC ad alte prestazioni è fondamentale.

Finora, gli ossidi/solfuri dei metalli di transizione sono stati ampiamente studiati come materiali degli elettrodi positivi a causa della loro elevata pseudocapacità1,6,10,11. Tra questi, i nanocristalli di solfuro di manganese (MnS) hanno attirato sempre più attenzione a causa della loro notevole predominanza, come l'elevata capacità teorica specifica, il basso costo, il rispetto dell'ambiente e una conduttività elettronica più elevata (fino a 3,2 × 103 S/cm) rispetto ai loro ossidi o idrossidi1, 5,12. Inoltre, la nanostruttura laminare (in particolare la fase γ con struttura wurtzite) accelera la penetrazione dell'elettrolita e l'intercalazione degli ioni, il che promuove notevolmente la sua intrinseca reattività elettrochimica per il comportamento capacitivo (Fig. 1a). Ad esempio, abbiamo sintetizzato con successo un nanocristallo di MnS in fase γ regolando il contenuto di ioni solfuro con l'ammoniaca come agente complesso e precipitatore, la cui capacità specifica ha raggiunto 704,5 F g−1 11, che è molto più alta di MnO2 (310 F g −1 a 2 mV s−1)13, Mn3O4 (314 F g−1 a 2 mV s−1)14.