Superkondensatorer lagrer ladning ved elektrode-elektrolyttgrensesnittet, så ytelsen deres styres av tilgjengelig overflate, porestruktur og elektronisk ledningsevne. Grafitt er attraktivt fordi det er ledende, kjemisk stabilt og billig, men naturlige grafittflak har et begrenset spesifikt overflateareal på omtrent 10-30 m2/g og basalplanene deres er elektrokjemisk ganske inerte. Nylig utviklingsarbeid på grafittelektroder for superkondensatorer adresserer akkurat disse grensene.
Grafen og utvidet grafitt
Eksfoliering av grafitt til grafen eller få-lagsark øker det tilgjengelige området i størrelsesordener, samtidig som den iboende ledningsevnen bevares. Den praktiske vanskeligheten er omstabling: ark som re-aggregerer mister det oppnådde området og blokkerer ionetransport. Ruter som utvikles holder arkene adskilt av avstandsstykker, eller vokser dem direkte på et ledende substrat slik at elektroden forblir en kontinuerlig strømbane. Ekspandert grafitt, som er produsert ved interkalerende og termisk sjokkerende naturlige flak, tilbyr en mellomting med lavere kostnad per arealenhet.
Heteroatomdoping
Å introdusere nitrogen eller bor i karbongitteret endrer den elektroniske strukturen og legger til overflatefunksjonalitet. Spesielt nitrogendoping øker elektrontettheten nær Fermi-nivået og forbedrer fuktbarheten mot vanlige elektrolytter, noe som øker den brukbare kapasitansen og reduserer den ekvivalente seriemotstanden. Doping utføres normalt under syntese eller etter-behandling i en reaktiv atmosfære, og fordelen avhenger av hvordan dopemidlet er bundet i stedet for den totale konsentrasjonen.
Testing og karakterisering
Elektrokjemisk ytelse vurderes ved hjelp av syklisk voltammetri, galvanostatisk ladning-utladning og elektrokjemisk impedansspektroskopi, ved å bruke en tre-elektrodecelle for materialscreening og en to-symmetrisk celle for enhets-relevante resultater. Strukturell karakterisering er avhengig av nitrogenadsorpsjon for overflateareal og porefordeling, røntgenstrålediffraksjon for mellomlagsavstand og Raman-spektroskopi for defekttetthet. For grafittmaterialer generelt følger tetthets- og porøsitetsmålinger metoder som ASTM C559 og ASTM C1039, og elektrisk resistivitet til produserte karbon- og grafittartikler måles med ASTM C611.
Ofte stilte spørsmål
Q:Hvorfor brukes grafitt i superkondensatorelektroder?
A: Det er elektrisk ledende, elektrokjemisk stabilt over et bredt potensialvindu og lavt pris, og det kan bearbeides til ark, folier eller belagte elektroder uten polymerbindemidler i noen design.
Q:Hva begrenser kapasitansen til vanlig grafitt?
A: Dens lave tilgjengelige overflate på omtrent 10-30 m2/g og den smale mellomlagsavstanden, som begrenser ionetilgang og forhindrer effektiv dobbeltlagsdannelse.
Q:Hvordan hjelper nitrogendoping?
A: Den modifiserer den elektroniske strukturen og overflatekjemien, forbedrer elektrolyttfukting og ladningsoverføring, noe som øker brukbar kapasitans og senker tilsvarende seriemotstand.
Q:Hva er hovedproblemet med grafenelektroder?
A: Omstabling. Ark re-aggregerer under tørking og sykling, mister overflatearealet som gjør grafen attraktivt og blokkerer ionetransport mellom lagene.
Q:Hvilken måling avslører om en overflate virkelig er tilgjengelig?
A: Nitrogenadsorpsjon gir porestørrelsesfordelingen, mens impedansspektroskopi og hastighetstesting viser hvilken del av det området som faktisk fungerer med den tiltenkte driftsstrømmen.