Un equipo internacional liderado por el CNRS, el sincrotrón Soleil y las universidades de Lille, Nantes, Toulouse y California ha desarrollado electrodos de nitruro de rutenio (RuN) con rendimientos excepcionales. Publicado en Nature Materials, este estudio incluye también desarrollos metodológicos para la investigación de los procesos electroquímicos que actúan en los supercondensadores.
Comparativa de distintas electrodos, ordenados de izquierda a derecha según la velocidad de difusión de los iones y el transporte de electrones. El electrodo de nitruro de rutenio está completamente a la derecha.
© Anne Duchene, Huy Dinh Khac y Christophe Lethien
Los supercondensadores almacenan energía eléctrica mientras ofrecen una potencia y velocidad de carga superior a las baterías, pero tienen una menor capacidad de almacenamiento. Un amplio equipo franco-americano, que incluye investigadores del CNRS, del sincrotrón Soleil y de las universidades de Lille, Nantes, Toulouse y California, ha desarrollado electrodos de nitruro de rutenio (RuN) que alcanzan una capacidad de más de 500 faradios por centímetros cúbicos (F.cm-3). Esta capacidad aumenta a 3200 F.cm-3 tras un proceso de oxidación electroquímica que fue analizado en tiempo real (operando) con radiación sincrotrón.
Estos electrodos tienen constantes de tiempo inferiores a diez segundos, incluso antes de la oxidación, lo que los convierte en candidatos ideales para dispositivos de carga rápida. Para comparar, los electrodos basados en MXenes, materiales bidimensionales de última generación, alcanzan alrededor de 1500 F.cm-3 con constantes de tiempo similares.
Los nuevos electrodos están basados en películas de nitruro de rutenio (RuN), aplicadas mediante un método de pulverización catódica optimizado en este estudio. El material toma la forma de una hilera de plumas nanométricas porosas, cuyo núcleo es de nitruro de rutenio y los bordes de óxido de rutenio (RuO2).
Durante la oxidación electroquímica, el RuO2 se hidrata (h-RuO2) y se convierte en el sitio de rápidas reacciones redox en la interfaz entre el electrodo y el electrolito. Los electrones generados son transportados rápidamente por el núcleo de las nanoplumas de RuN, que forman un soporte especialmente buen conductor eléctrico.
Más allá de los rendimientos alcanzados, este estudio ayuda a revelar los mecanismos reaccionales detrás de estos resultados. Incluye un componente de comprensión del almacenamiento de cargas operando, mediante un conjunto de caracterizaciones avanzadas como la espectroscopía de absorción de rayos X bajo radiación sincrotrón, o la microscopía electrónica de transmisión. Esta tecnología está en proceso de transferencia y valorización, con el apoyo de CNRS Innovation, en la start-up Hileores, que surge de trabajos anteriores realizados por el equipo de Lille.
Referencias:
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