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May 28, 2023

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 23289 (2016) Citer cet article

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Des supercondensateurs asymétriques (ASC) hautes performances entièrement solides sont fabriqués en utilisant du γ-MnS comme électrode positive et du charbon actif poreux dérivé d'aubergine (EDAC) comme électrode négative avec un gel de gélose saturé d'hydroxyde de potassium comme électrolyte solide. La nanostructure laminaire de wurtzite de γ-MnS facilite l'insertion d'ions hydroxyle dans l'espace intercouche et le nanofil de sulfure de manganèse offre des canaux de transport électroniques. La nanostructure poreuse de taille uniforme de l'EDAC fournit une voie électronique continue et facilite de courtes voies de transport ionique. En raison de ces nanostructures spéciales du MnS et de l'EDAC, ils présentaient respectivement une capacité spécifique de 573,9 et 396 F g−1 à 0,5 A g−1. Le supercondensateur asymétrique MnS//EDAC optimisé présente des performances supérieures avec une capacité spécifique de 110,4 F g−1 et une rétention de capacité de 89,87 % après 5 000 cycles, une densité d'énergie élevée de 37,6 Wh kg−1 à une densité de puissance de 181,2 W kg−1 et reste 24,9 Wh kg−1 même à 5976 W kg−1. Impressionnant, ces deux cellules entièrement solides assemblées en série peuvent allumer un indicateur LED rouge pendant 15 minutes après une charge complète. Ces résultats impressionnants rendent ces matériaux non polluants prometteurs pour des applications pratiques dans les ASC à base d'électrolytes aqueux solides.

Le supercondensateur, en tant que dispositif de stockage d'énergie avancé, possède de multiples propriétés souhaitables, notamment une densité de puissance élevée, une capacité de charge/décharge rapide et une excellente stabilité de cyclage, qui, espérons-le, répondent à la demande exponentiellement croissante de l'électronique grand public1,2. Cependant, jusqu'à présent, la plupart des supercondensateurs disponibles dans le commerce avaient une faible densité énergétique (<10 Wh kg−1), ce qui limitait leur application en tant que sources d'énergie primaires pour remplacer les batteries3,4. Notez que la densité d'énergie (E), notée E = CV2/2, peut être améliorée en augmentant la capacité spécifique (C) des matériaux d'électrode et/ou en étendant la fenêtre de potentiel de fonctionnement (V). Actuellement, deux stratégies sont utilisées pour étendre la fenêtre de potentiel de fonctionnement : utiliser des électrolytes organiques (jusqu'à 4 V) ou développer des supercondensateurs asymétriques (ASC)4. Par rapport à l'électrolyte aqueux, les électrolytes organiques peuvent offrir une meilleure stabilité électrochimique aux électrodes, qui souffrent cependant généralement d'une conductivité ionique limitée, d'une mauvaise sécurité et d'une toxicité5,6. Par conséquent, la conception ASC dans les électrolytes aqueux constitue une approche efficace pour étendre la fenêtre de potentiel de fonctionnement et fournir une densité d’énergie efficace. Ces supercondensateurs asymétriques sont généralement composés d'une électrode faradique de type batterie (comme source d'énergie) et d'une électrode de type condensateur (comme source d'énergie), qui offrent les supériorités à la fois du matériau de type batterie (densité d'énergie) et du condensateur. -matériau de type (durée de vie, taux de transfert d'électrons)7,8. Pendant ce temps, les ASC peuvent utiliser pleinement les différentes fenêtres de potentiel des matériaux d’électrode, fournissant ainsi une fenêtre de potentiel maximale dans le système cellulaire7,9. Par conséquent, il est essentiel de sélectionner les matériaux appropriés pour les électrodes positives et négatives afin d’assembler des ASC hautes performances.

Jusqu'à présent, les oxydes/sulfures de métaux de transition ont fait l'objet de recherches approfondies en tant que matériaux d'électrode positive en raison de leur pseudocapacité élevée1,6,10,11. Parmi eux, les nanocristaux de sulfure de manganèse (MnS) attirent de plus en plus l'attention en raison de leur prédominance remarquable, telle qu'une capacité spécifique théorique élevée, leur faible coût, leur respect de l'environnement et leur conductivité électronique plus élevée (jusqu'à 3,2 × 103 S/cm) que leurs oxydes ou hydroxydes1, 5,12. De plus, la nanostructure laminaire (en particulier la phase γ avec une structure wurtzite) accélère la pénétration de l'électrolyte et l'intercalation des ions, ce qui favorise considérablement sa réactivité électrochimique intrinsèque pour le comportement capacitif (Fig. 1a). Par exemple, nous avons réussi à synthétiser des nanocristaux de MnS en phase γ en ajustant la teneur en ions sulfure avec de l'ammoniac comme agent complexe et précipitateur, dont la capacité spécifique a atteint 704,5 F g−1 11, ce qui est beaucoup plus élevé que le MnO2 (310 F g −1 à 2 mV s−1)13, Mn3O4 (314 F g−1 à 2 mV s−1)14.