Carbon Nanomaterial-IL Hybrids for Ultrahigh Energy Supercapacitors

Ønsket om å øke bruken av fornybar energi har gjort energilagring og konvertering til en av de største utfordringene i dagens samfunn. Flere og flere applikasjoner krever at energi lagres effektivt og med en høy energitetthet. For å tilfredsstille fremtidige krav må betydelige forbedringer i energitettheten til superkondensatorer oppnås. Superkondensatorer er energilagringsenheter som har høyere spesifikk energi enn konvensjonelle kondensatorer. Superkondensatorer kan gi en høyere spesifikk effekt sammenlignet med batterier, men deres spesifikke energi er lavere. I tillegg, i forhold til batterier, har superkondensatorer en lengre sykluslevetid, noe som betyr at de kan lades og utlades millioner av ganger uten skade. Disse forskjellene mellom superkondensatorer og batterier stammer fra deres grunnleggende måte å lagre elektriske ladninger på. Mens batterier lagrer ladninger gjennom redoksreaksjoner, lagrer superkondensatorer ladninger elektrostatisk. Et av målene med dette prosjektet er å designe og produsere superkondensatorer med spesifikk energi større enn 80 Wh/kg. Dette vil være en betydelig forbedring med tanke på at konvensjonelle superkondensatorer gir en spesifikk energi på omtrent 5 Wh/kg. Aktivt karbon nanosfærer brukes som elektrodemateriale og ioniske væsker brukes som elektrolytt. Aktivt karbonmateriale regnes som et av de mest lovende elektrodematerialene, på grunn av deres høye spesifikke overflateareal, god elektrisk ledningsevne og kjemisk stabilitet. For å produsere aktivert karbon med disse egenskapene, brukes to aktiveringsprosesser, nemlig KOH og CO2/damp aktivering. KOH er et mer effektivt aktiveringsmiddel, som gir større overflateareal og porevolum. På den annen side er CO2/damp aktivering en mer miljøvennlig metode for å produsere aktivert karbon. Spesifikk kapasitans er et mye brukt mål på evnen til å lagre elektriske ladninger. Det er definert som mengden lagrede ladninger i coulomb dividert med potensialforskjellen i spenning mellom elektrodene. Generelt øker kapasitansen til superkondensatorer med økende overflate på elektrodene. Dette er fordi det er mer overflate tilgjengelig for lagring av elektriske ladninger. Den høyeste spesifikke kapasitansen oppnådd ved bruk av CO2-damp aktivert karbon var 220 F/g ved 0.1 A/g. Ved å bruke karbon med høyere overflate, nemlig KOH aktivert karbon, nådde den spesifikke kapasitansen maksimum ved 260 F/g ved 0.1 A/g. På grunn av den hierarkiske porestrukturen viste begge materialene en god stabilitet hvor omtrent 75 % av kapasitansen ved 0.1 A/g var beholdt ved 7 A/g. For å øke energitettheten til superkondensatorer må driftsspenningsvinduet utvides. For øyeblikket kan superkondensatorer som bruker ionisk væske oppnå et spenningsvindu på 0 - 4 V. Imidlertid er coulombisk effektivitet og livsløp utilstrekkelig ved dette brede spenningsvinduet. Dette skyldes karbon-elektrolytt-interaksjoner som oppstår ved høyt potensial, noe som til slutt fører til dekomponering av elektrolytten. På overflaten av aktivt karbon finnes forskjellige funksjonelle grupper som består av oksygen og nitrogen, som vil reagere med elektrolytten ved høy spenning og føre til nedbrytning. I dette arbeidet ble det vist at ved å modifisere karbonoverflaten gjennom høy temperaturbehandling i både hydrogen og ammoniakkatmosfære, reduseres coulombisk -effektiviteten fra 63,9% til 28,2% ved et spenningsvindu på 0 - 4 V. Dette skyldes omstrukturering av carbon-overflaten ved høy temperatur via tilstedeværelse av oksygenfunksjonelle grupper og opprettelse av defekter, noe som øker karbon-elektrolyttinteraksjonene. Oksygenfunksjonelle grupper som er tilstede på karbonoverflaten kan øke energitettheten til superkondensatorer ved å introdusere batterilignende faradaiske prosesser i lade-/utladningsmekanismen. Dette arbeidet har vist at ved å justere mengden og typen oksygenfunksjonelle grupper på karbonoverflaten, økte den relative kapasitansen med 53,1 %. Dette ble realisert med et samlet oksygeninnhold på 0,0038 %/m2, noe som viste seg å forbedre adsorpsjonen av ioner samtidig som det ble innført faradaiske prosesser. Det er flere fordeler med å bruke ioniske væskebaserte superkondensatorer, inkludert høye driftspenningsvinduer og høy ionetetthet. Ulempene er imidlertid høye kostnader og utilstrekkelig ytelse ved lavere temperaturer på grunn av deres høye smeltepunkter, noe som reduserer bondebevegelsen. For å forbedre ytelsen ved lavere temperaturer har flere ioniske væsker med forskjellige egenskaper blitt blandet og testet ved forskjellige temperaturer for å optimalisere elektrolyttsammensetningen. Blanding av EMIMBF4, som er en ionisk væske med høy ytelse, men med et høyt smeltepunkt på 15 °C, med BMIMPF6 eller EMIMTFSI (smeltepunkter på henholdsvis 6 og -16 ° C) kan forbedre ytelsen betydelig ved lave temperaturer.

The strategy to enhance both energy and power density as well as extend the operating temperature window has been established. It will be applied to design new supercapacitors with ultra-high energy. The results achieved in this project will complement the understanding of charge and discharge mechanisms at a molecular level. The principle of tune the operating voltage window and lifetime by manipulating the carbon surface properties is of great significance for selecting carbon electrode materials and improve the performance of supercapacitors in the industry. It is anticipated the principle can be applied to metal ion batteries and anode materials in Li-ion and other metal-ion batteries.

The project, SuperEnergy, aims to ground-breaking research for developing ultrahigh energy supercapacitors (SCs) with similar specific energy as batteries, but remarkable improvements on safety, power density, stability and operating temperature window compared to batteries. The project is based on our recent progress of the fundamental study of carbon-ionic liquid (IL) SCs, where ultrahigh capacitance (>600 F/g) at 4V is predicted theoretically. The new principle will be applied to achieve the ambitious goal by means of maximize the ion packing density in the nanopores. This project will develop a new approach with highly integrated multiscale hierarchical modelling and experimental investigation to optimize carbon nanomaterials-IL hybrids. The multiscale hierarchical modelling involves molecular dynamic modelling at molecular level and ion-packing model at electrode level. With the new approach, novel IL mixtures confined in nanopores will be rationally designed and screened, to significantly extend the operating temperature window by lowering the crystallization temperature, at the same time, to increase the capacitance by decreasing the effective ion size of the IL mixture. A new strategy for synthesis of mesoporous carbon sponge will be explored, aiming to gaining a better control of porosity, pore size and distribution. Project will develop new interconnected graphene like mesoporous carbon sponge to achieve narrow pore size distribution in a mesoporous rang and high pore volume. The project has a great potential to change the current energy storage and energy-use system. It could potentially help Norwegian society to use renewable energy in public transportation sector.