Advanced laser deposition of nanocarbon-based supercapacitor electrodes

Abstract

Els supercondensadors o condensadors electroquímics són dispositius capaços d’emmagatzemar i alliberar energia en un període de temps curt, sent crucials pels sistemes elèctrics d’alta potència. El desenvolupament de supercondensadors d’alta capacitat d’emmagatzematge d’energia és clau per avançar cap a una societat basada en la electricitat sostenible. Per tant, és necessari el desenvolupament de tecnologies de fabricació innovadores i de nous materials amb alt rendiment pels elèctrodes. Aquesta tesi es centra en la investigació de la síntesi d’elèctrodes compostos de materials basats en carboni decorats amb nanoestructures d’òxids metàl·lics. La fabricació es va realitzar mitjançant la tècnica de “reactive inverse matrix assisted pulsed laser evaporation” (RIMAPLE), una tècnica d’un pas únic amb alt potencial per la síntesi de nanocompostos complexos. S’han fabricat elèctrodes multicomponents basats en òxid de grafè reduït, nanotubs de carboni de varies capes y nanopartícules d’òxid de níquel. S’ha aconseguit el dopatge amb nitrogen dels nanomaterials de carboni utilitzant diversos precursors, aconseguint un augment del rendiment dels elèctrodes. A més, s’han utilitzat altres nanopartícules. Els elèctrodes compostos dels materials basats en carboni decorats amb nanoestructures d’òxid de ceri revelen rendiments prometedors. S’han seguit diferents síntesis per millorar les seves propietats, obtenint efectes sinèrgics amb la co-síntesi de nanoestructures d’òxid de manganès. S’han fabricat dispositius funcionals demostrant l’ús pràctic dels elèctrodes sintetitzats.

Los supercondensadores o condensadores electroquímicos son dispositivos capaces de almacenar y liberar energía en un período corto de tiempo, siendo cruciales para los sistemas eléctricos de alta potencia. El desarrollo de supercondensadores con alta capacidad de almacenar energía es clave para avanzar hacia una sociedad basada en la electricidad sostenible. Por lo tanto, es necesario desarrollar tecnologías de fabricación innovadoras y nuevos materiales con alto rendimiento para los electrodos. Esta tesis se centra en la investigación de la síntesis de electrodos compuestos de materiales basados en carbono decorados con nanoestructuras de óxidos metálicos. La fabricación se realizó mediante la técnica “reactive inverse matrix assisted pulsed laser evaporation” (RIMAPLE), una técnica de un único paso con alto potencial para la síntesis de nanocompuestos complejos. Se han fabricado electrodos multicomponentes basados en óxido de grafeno reducido, nanotubos de carbono de varias capas y nanopartículas de óxido de níquel. Se ha logrado el dopaje con nitrógeno de los nanomateriales de carbono usando diversos precursores, alcanzando un aumento del rendimiento de los electrodos. Además, se han usado otras nanopartículas. Los electrodos compuestos de materiales basados en carbono decorados con nanoestructuras de óxido de cerio revelan rendimientos prometedores. Se han seguido diferentes síntesis para mejorar sus propiedades, obteniendo efectos sinérgicos con la co-síntesis de nanoestructuras de óxido de manganeso. Se han fabricado dispositivos funcionales demostrando el uso práctico de los electrodos sintetizados.

Supercapacitors or electrochemical capacitors are devices capable to store and release energy in a short time, being crucial for high power electric systems. The development of supercapacitors with higher capability to store energy is key for the advance to a sustainable electrified society. Thus, new high-performance electrode materials as well as innovative fabrication technologies need to be developed. The research of this thesis is focused on the synthesis of composite electrodes constituted by carbon-based materials decorated with metal oxide nanostructures. The fabrication was performed through the reactive inverse matrix assisted pulsed laser evaporation (RIMAPLE) technique, a single-step laser deposition technique with high potential for the synthesis of complex nanocomposites. Multicomponent electrodes based on reduced graphene oxide, multiwall carbon nanotubes and nickel oxides nanoparticles were produced. The nitrogen-doping of the carbon nanomaterials was accomplished by using different precursors, leading to an enhancement of the performance of the electrodes. Furthermore, the alternative use of different types of nanoparticles was tested. Electrodes composed of carbon-based materials decorated with cerium oxide nanostructures disclosed promising performance. Different synthesis paths were followed for their improvement, obtaining synergistic effects with the co-synthesis of manganese oxide nanostructures. Functional devices were also fabricated demonstrating the practical use of the synthesized electrodes.