Elettrodi gerarchici in schiuma di carbonio poroso fabbricati con modello in elastomero poliuretanico di scarto per doppio elettrico

May 31, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11786 (2022) Citare questo articolo

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I rifiuti di plastica sono diventati una delle principali preoccupazioni ambientali globali. L’utilizzo del carbonio poroso derivato dai rifiuti solidi per lo stoccaggio di energia ha ricevuto ampia attenzione negli ultimi tempi. Qui, riportiamo il confronto delle prestazioni elettrochimiche delle schiume di carbonio porose (CF) prodotte da modelli di elastomero di poliuretano (PU) di scarto attraverso due diversi percorsi di attivazione. I condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) fabbricati dalla schiuma di carbonio hanno mostrato una capacità gravimetrica di 74,4 F/g a 0,1 A/g. L'elevata densità di impaccamento dovuta alla presenza di sfere di carbonio nella struttura gerarchica ha offerto un'eccellente capacità volumetrica di 134,7 F/cm3 a 0,1 A/g. Inoltre, gli EDLC basati su CF hanno mostrato un'efficienza Coulombiana vicina al 100% e hanno mostrato prestazioni cicliche stabili per 5000 cicli di carica-scarica con una buona ritenzione di capacità del 97,7% a 3 A/g. La bassa resistenza in serie equivalente (1,05 Ω) e la resistenza al trasferimento di carica (0,23 Ω) dovute all'ampia presenza di gruppi funzionali idrossilici hanno contribuito a raggiungere una potenza elevata (48,89 kW/kg). Sulla base delle proprietà preferite come elevata area superficiale specifica, struttura gerarchica dei pori, funzionalità superficiali, basse impurità metalliche, elevata conduttività e comportamento capacitivo desiderabile, i CF preparati da elastomeri PU di scarto hanno mostrato il potenziale per essere adottati come elettrodi negli EDLC.

I supercondensatori (SC), noti anche come ultracondensatori, sono dispositivi avanzati di accumulo di energia che possono essere caricati-scaricati in pochi secondi e hanno potenziale in applicazioni che richiedono energia come veicoli elettrici pesanti, dispositivi elettromeccanici, elettricità non intermittente da fonti rinnovabili, ecc. .1,2. In base ai meccanismi di accumulo della carica e alle caratteristiche del dispositivo, i supercondensatori possono essere classificati in tre categorie: (i) condensatori elettrici a doppio strato (EDLC), (ii) pseudocondensatori e (iii) condensatori asimmetrici3,4,5,6. Sebbene gli pseudocondensatori abbiano un’elevata capacità specifica e immagazzinino energia principalmente attraverso il trasferimento di carica faradaica tra l’elettrodo e l’elettrolita7, presentano limitazioni nelle applicazioni pratiche a causa della scarsa stabilità del ciclo e dei costi elevati. Gli EDLC a base di carbonio continuano a dominare il mercato commerciale grazie ai rapidi impulsi di energia, al lungo ciclo di vita e all'elevata efficienza Coulombiana8. Qui, ci concentriamo sugli EDLC simmetrici che immagazzinano e rilasciano energia attraverso l'adsorbimento-desorbimento fisico degli ioni sulla superficie, formando un doppio strato elettrico sull'interfaccia elettrodo-elettrolita9. I carboni porosi si distinguono come materiali elettrodici promettenti per gli EDLC per la loro elevata area superficiale specifica, buona conduttività elettrica, stabilità fisico-chimica, facilità di preparazione e basso costo10. I materiali per elettrodi a base di carbonio non solo sono ottimi candidati per gli EDLC, ma svolgono anche un ruolo importante nel supportare il materiale attivo degli pseudocondensatori. La maggior parte dei supercondensatori commerciali utilizza come elettrodi11 carboni attivi a base di biomassa derivati ​​da gusci di cocco, legno, bambù e segatura; questi presentano una bassa capacità specifica e una scarsa capacità di velocità.

Oltre all'elevata area superficiale specifica, la dimensione e la geometria dei pori influenzano il doppio strato elettrico. La capacità specifica degli EDLC è determinata principalmente dall'area superficiale specifica effettiva e dalla distribuzione delle dimensioni dei pori (micro, meso e macropori) degli elettrodi di carbonio porosi. Attraverso la maggiore area superficiale, i micropori migliorano le prestazioni elettrochimiche; tuttavia, i micropori possono limitare la diffusione e il trasporto degli ioni: i materiali in carbonio che contengono solo micropori spesso non riescono a soddisfare i requisiti dei supercondensatori ad alte prestazioni12. Tuttavia, la struttura gerarchica sotto forma di meso e macropori interconnessi con micropori accorcia il percorso di diffusione e può facilitare il trasporto degli ioni13. Pertanto, i carboni amorfi con una struttura gerarchica dei pori comprendente reti ben sviluppate di pori e canali sono altamente adatti per gli EDLC.