Todos

May 28, 2023

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 23289 (2016) Citar este artigo

7586 Acessos

138 citações

Detalhes das métricas

Supercapacitores assimétricos de alto desempenho (ASCs) de estado sólido são fabricados usando γ-MnS como eletrodo positivo e carvão ativado derivado de berinjela porosa (EDAC) como eletrodo negativo com gel de ágar de hidróxido de potássio saturado como eletrólito sólido. A nanoestrutura laminar de wurtzita de γ-MnS facilita a inserção de íons hidroxila no espaço intercamadas e o nanofio de sulfeto de manganês oferece canais de transporte eletrônico. A nanoestrutura porosa de tamanho uniforme do EDAC fornece uma via contínua de elétrons, bem como facilita vias curtas de transporte iônico. Devido a essas nanoestruturas especiais do MnS e do EDAC, eles exibiram uma capacitância específica de 573,9 e 396 F g-1 a 0,5 A g-1, respectivamente. O supercapacitor assimétrico MnS//EDAC otimizado mostra um desempenho superior com capacitância específica de 110,4 F g-1 e 89,87% de retenção de capacitância após 5.000 ciclos, uma alta densidade de energia de 37,6 Wh kg-1 a uma densidade de potência de 181,2 W kg-1 e permanece 24,9 Wh kg-1 mesmo a 5.976 W kg-1. Impressionantemente, essas duas células totalmente de estado sólido montadas em série podem acender um indicador LED vermelho por 15 minutos depois de totalmente carregadas. Esses resultados impressionantes tornam esses materiais livres de poluição promissores para aplicações práticas em ASCs sólidos à base de eletrólitos aquosos.

O supercapacitor, como um dispositivo avançado de armazenamento de energia, possui múltiplas propriedades desejáveis, incluindo alta densidade de potência, capacidade de carga/descarga rápida e excelente estabilidade de ciclo, que esperamos atender à demanda exponencialmente crescente de produtos eletrônicos de consumo . No entanto, até agora, a maioria dos supercapacitores disponíveis comercialmente com baixa densidade de energia (<10 Wh kg-1), o que restringiu sua aplicação como fontes primárias de energia para substituir baterias3,4. Observe que a densidade de energia (E), denotada como E = CV2/2, pode ser melhorada aumentando a capacitância específica (C) dos materiais do eletrodo e/ou estendendo a janela de potencial operacional (V). Atualmente, duas estratégias são utilizadas para estender a janela de potencial operacional: utilizando eletrólitos orgânicos (até 4 V) ou desenvolvendo supercapacitores assimétricos (ASCs)4. Em comparação com o eletrólito aquoso, os eletrólitos orgânicos podem fornecer uma melhor estabilidade eletroquímica para os eletrodos, que, no entanto, geralmente sofrem de condutividade iônica limitada, baixa segurança e toxicidade . Portanto, o projeto ASC em eletrólitos aquosos é uma abordagem eficiente para estender a janela de potencial operacional e fornecer densidade de energia efetiva. Esses supercapacitores assimétricos são geralmente compostos por um eletrodo Faradaico tipo bateria (como fonte de energia) e um eletrodo tipo capacitor (como fonte de energia), que oferecem as superioridades tanto do material do tipo bateria (densidade de energia) quanto do capacitor. -tipo material (ciclo de vida, taxa de transferência de elétrons)7,8. Enquanto isso, os ASCs podem fazer pleno uso das diferentes janelas potenciais dos materiais dos eletrodos, proporcionando assim uma janela potencial máxima no sistema celular . Portanto, é fundamental selecionar materiais adequados para eletrodos positivos e negativos para montar ASCs de alto desempenho.

Até agora, os óxidos/sulfetos de metais de transição têm sido extensivamente investigados como materiais de eletrodos positivos devido à sua alta pseudocapacitância . Entre eles, os nanocristais de sulfeto de manganês (MnS) têm atraído cada vez mais atenção devido à sua notável predominância, como alta capacitância teórica específica, baixo custo, respeito ao meio ambiente e maior condutividade eletrônica (até 3,2 × 103 S/cm) do que seus óxidos ou hidróxidos . 5,12. Além disso, a nanoestrutura laminar (especialmente a fase γ com estrutura wurtzita) acelera a penetração do eletrólito e a intercalação de íons, o que promove enormemente sua reatividade eletroquímica intrínseca para o comportamento capacitivo (Fig. 1a). Por exemplo, sintetizamos com sucesso o nanocristal MnS de fase γ ajustando o conteúdo de íons sulfeto com amônia como agente complexo e precipitador, cuja capacitância específica atingiu 704,5 F g-1 11, que é muito maior que MnO2 (310 F g −1 a 2 mV s−1)13, Mn3O4 (314 F g−1 a 2 mV s−1)14.