Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Design of new metallic oxide-carbon hybrid composites for supercapacitors electrodes

Tildelt: kr 7,2 mill.

Gjennom prosjektet MOC@SUPCAP har NTNU, SINTEF og partner fra Portugal, IST, utviklet nye materialer for bruke i superkondensatorer. Materialene er basert på en blanding av metall oksider og karbon materialer, noe som er et videre steg i utviklingen fra kommersielle superkondensatorer basert på karbon fra kokosnøttskall. Prosjektet har vært finansielt støtte av de respektive nasjonale forskningsrådene gjennom m-ERA.net et av randsone programmene til Horisont 2020. I en superkondensator kan man både ha energilagring ved at det lagres en elektrisk ladning på en den overflaten (karbon) eller at det skjer en redoks reaksjon i metalloksidet. Vanligvis er det lagring via elektrisk ladning som er brukt og siden det ikke skjer noen kjemisk reaksjon, men kun en overflatereaksjon, vil en superkondensatorer ha muligheter for tilnærmet uendelig mange opp og utladninger i forhold til eksempelvis et batteri. Men for å øke lagringskapasitet ytterligere kan man blande inn et metalloksid som inneholder et metallion (mangan, nikkel, kobolt) som kan har forskjellig valens. Utvikling av disse hybride materialene, som har vært et av MOC@SUPCAP sitt mål, er utfordrende da det krever en kontrollert blanding av både et karbon materiale med veldig høyt overflate areal og et metalloksid med riktig partikkelstørrelse, sammensetning og renhet. MOC@SUPCAP har klart å fremstille flere forskjellige hybride materialer og det har hovedsakelig vært utført med to forskjellige fremstillingsmetoder; elektrokjemisk deponering av metalloksider på en porøse nanostrukturert karbonmateriale og forskjellige våt kjemiske metoder. Begge metodene er billige metoder og kan brukes for oppskalering. IST har vært ansvarlig for elektrokjemisk deponering og SINTEF for våtkjemiske metoder. Metodene har hver sine fordeler og ulemper. Elektrokjemisk deponering har vist seg å gi bedre kapasitans, mens de våtkjemiske metodene med påfølgende spray belegning vil være mer anvendt for kommersiell fremstilling. Begge metodene har gitt materialer med flere tusen opp og utlendingsykler som gir lang levetid. SINTEF har også studert hvilken sammensetning (karbon / metalloksid forhold) av de hybride materialet som gir best kapasitans. Det har vært godt faglig samarbeid i prosjektet og spesielt rundt forskjellige karakteriseringsteknikker som er nødvendig for å forstå og forbedre materialene. En detaljert og fundamental forståelse av de elektrokjemiske prosessene som foregår ved opp- og utlading har vært utført av PhD student ved NTNU. I PhD studien er det fokusert på MnO2 som materiale, der en har oppnådd høye verdier for kapasitans, og stabil sykling over tusenvis av sykler, ved å optimalisere struktur av MnO2 og valg av elektrolytt, f.eks elektrolytt basert på to-verdige kationer. De mest stabile elektrodene har høy krystallinitet, og det er videre vist at sekundære faser i denne konverterer til MnO2 under gjentatt opp- og utlading, noe som bidrar god stabilitet. Det er videre etablert matematiske modeller for impedansspektra for porøse strukturer av manganoksid, som er en av hovedkomponentene i de hybride elektrodene. Modellen kan brukes til å forstå impedansspekter, for eksempel når elektrolytt sammensetningen endres. PhD utdanningen er pågående når prosjektet avsluttes og det forventes flere publikasjoner fra prosjektet i etterkant av disputas. Et av målene i prosjektet har vært å utvikle en asymmetrisk superkondensator hvor man bruke en elektrode basert på karbon materialer og en hybrid elektrode basert på en blanding av metall oksid og karbon. SINTEF har brukt betydelig tid på å fremstille gode elektroder med en realistisk tykkelse for å oppnå en god energitetthet. Dette har vist seg å være utfordrende men mye kompetanse er bygd opp og i nye prosjekter vil dette studeres videre. Gjennom prosjektperioden har det vært avholdt flere møter både i Portugal og Trondheim samt videomøter som har vært nødvendig for å holde nødvendig fremdrift og samarbeid i prosjektet. Resultater fra prosjektet har blitt presentert i flere internasjonal konferanser og journaler (sistenevnte hovedsakelig fra IST) samt for industri når dette har vært passende. Prosjektet har ikke gitt noen patenter eller bidratt til kommersielle produkter noe som ikke var forventet på et slikt prosjektet. Men det har blitt bygd mye kompetanse som videreføres for å utvikle nye produkter innenfor energilagring.

The project aims at designing and fabricating a new class of high performance hybrid composite electrodes for supercapacitors by combining carbon materials and metal oxides. These electrodes are expected to have a higher specific capacitance than conventi onal double-layer (carbon based) electrodes due to the additional contribution of redox pseudocapacitance, characteristic of metal oxides. The development of these new materials will be a step forward on achieving supercapacitor devices with enhanced powe r and energy densities at competitive. The innovation of the MOC@SUPCAP project is based on using simple, low-cost fabrication routes to create a new class of higher performance electrodes for supercapacitors contributing beyond the state-of-the-art and c reating alternatives to the conventional systems existing in the market. The project is on the edge of advanced materials research and is foreseen to contribute to breakthrough advances. The topic is highly relevant today and the project partners have the expertise to develop a successful project. The expected results are new hybrid materials with enhanced capacitance fabricated by simple and low-cost routes, able to meet the demands of the energy storage sector. Moreover, the results can be transferred f or the private sector, due to the foreseen simplicity of the explored fabrication routes. The high quality of the expected results will contribute to high level scientific publications and have a high impact for the society as a whole.

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale