Ein internationales Team, koordiniert vom CNRS, dem Synchrotron SOLEIL sowie den Universitäten Lille, Nantes, Toulouse und Kalifornien, hat herausragende Elektroden auf Basis von Rutheniumnitrid (RuN) entwickelt. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Materials, beinhalten auch methodische Entwicklungen zur Untersuchung der elektrochemischen Prozesse in Superkondensatoren.
Vergleich verschiedener Elektroden, von links nach rechts sortiert nach der Geschwindigkeit der Ionendiffusion und des Elektronentransports. Die Elektrode aus Rutheniumnitrid befindet sich ganz rechts.
© Anne Duchene, Huy Dinh Khac und Christophe Lethien
Superkondensatoren speichern elektrische Energie und bieten dabei eine höhere Leistung und Schnellladefähigkeit als Batterien, jedoch mit geringerer Speicherkapazität. Ein umfassendes französisch-amerikanisches Team, bestehend aus Forschenden des CNRS, des Synchrotron Soleil und der Universitäten Lille, Nantes, Toulouse und Kalifornien, hat Elektroden auf Basis von Rutheniumnitrid (RuN) entwickelt. Diese erreichen eine Kapazität von über 500 Farad pro Kubikzentimeter (F.cm-3). Diese Kapazität steigt auf 3200 F.cm-3 nach einem elektrochemischen Oxidationsprozess, der in Echtzeit (operando) unter Synchrotronstrahlung analysiert wurde.
Diese Elektroden weisen Zeitkonstanten unter zehn Sekunden auf, auch vor der Oxidation, was sie zu guten Kandidaten für Schnellladesysteme macht. Zum Vergleich: Elektroden auf Basis von MXenen, zweidimensionale Materialien auf dem neuesten Stand der Technik, erreichen etwa 1500 F.cm-3 mit ähnlichen Zeitkonstanten.
Die neuen Elektroden basieren auf Schichten von Rutheniumnitrid (RuN), die durch eine optimierte Kathodenzerstäubungsmethode in dieser Studie abgeschieden wurden. Das Material nimmt die Form einer Reihe poröser Federstrukturen in Nanogröße an, deren Kern aus Rutheniumnitrid und deren Ränder aus Rutheniumoxid (RuO2) bestehen.
Bei der elektrochemischen Oxidation wird das RuO2 hydratisiert (h-RuO2) und wird zum Schauplatz schneller Redox-Reaktionen an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt. Die generierten Elektronen werden schnell durch den Kern der Nanofedern aus RuN transportiert, was eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit bietet.
Neben den erzielten Leistungen hilft diese Studie auch, die reaktiven Mechanismen hinter diesen Ergebnissen aufzudecken. Sie umfasst tatsächlich einen Abschnitt zum Verständnis der Ladungsspeicherung operando, mit einer Reihe fortschrittlicher Charakterisierungen wie Röntgenabsorptionsspektroskopie unter Synchrotronstrahlung oder Transmissionselektronenmikroskopie. Diese Technologie steht derzeit im Prozess der Übertragung und Verwertung, unterstützt von CNRS Innovation, im Startup Hileores, das aus früheren Arbeiten des Teams in Lille hervorgegangen ist.
Referenzen:
Nanofeather ruthenium nitride electrodes for electrochemical capacitors.
Huy Dinh Khac, Grace Whang, Antonella Iadecola, Houssine Makhlouf, Antoine Barnabé, Adrien Teurtrie, Maya Marinova, Marielle Huvé, Isabelle Roch-Jeune, Camille Douard, Thierry Brousse, Bruce Dunn, Pascal Roussel & Christophe Lethien.
Nature Materials, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01816-0