Activated carbon. Alumina hybrids for asymmetric supercapacitor electrodes

Asymmetric supercapacitor made of electrodes with different potential of zero charge (Epzc) can exhibit higher energy densities and efficiencies compared to symmetric supercapacitors made of a single type of electrode. Active material made of activated carbon AC-alumina composite shows a positive shift in Epzc compared to commercially available ACYEC (0.425 V). The composite is prepared by a wet impregnation method. Different samples were made based on different process parameters like the composition of AC/Alumina, and calcination temperatures. Microstructural characterization like SEM, XRD, EDS and thermal analysis like TGA, DTA were performed on samples to determine the composition and morphology of the composite. Electrochemical characterizations like Electrochemical Impedance spectroscopy, Cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge tests to determine activated carbon - alumina hybrid performance as an active material. Heat treatment at 350 °C was found to be instrumental to improve the capacitive performance of both the hybrid and the pristine activated carbon due to increased conductivity. The supercapacitor cell assembled with activated carbon–alumina hybrid as a negative electrode and activated carbon as the positive electrode, with both active component heat-treated at 350°C shows better performance compared to the activated carbon symmetric supercapacitor.

Un supercondensatore asimmetrico costituito da elettrodi con diverso potenziale di carica zero (Epzc) può presentare densità energetica ed efficienza superiore rispetto ad un supercondensatore simmetrico costituito da un unico tipo di elettrodo. In questa tesi, si è studiata la possibilità di modificare il potenziale di carica zero di un carbone attivo (AC) per supercondensatori preparando un materiale ibrido AC-allumina. L’ibrido AC-allumina è stato ottenuto mediante un metodo di impregnazione a umido. Sono stati preparati diversi ibridi variando la composizione della miscela di impregnazione e in secondo luogo eseguendo un trattamento termico di calcinazione a diverse temperature. Il lavoro sperimentale ha permesso di individuare le condizioni che permettono di ottenere un materiale ibrido AC-allumina che mostra uno spostamento positivo di Epzc rispetto al carbone attivo di partenza (prodotto commerciale YECA1 con Epzc pari a 0,425 V). Nel corso del lavoro si è fatto ricorso a tecniche di caratterizzazione fisica e microstrutturale (microscopia elettronica a scansione, SEM; analisi chimica quantitativa mediante spettroscopia a dispersione di energia, EDS; diffrazione di raggi X, XRD; termogravimetria, TGA, ed analisi termica differenziale, DTA) allo scopo di monitorare le modificazione indotte dai trattamenti utilizzati. Gli elettrodi di AC e di ibrido AC-allumina sono stati caratterizzati mediante tecniche elettrochimiche ordinarie per lo studio di materiali per supercondensatori (spettroscopia di impedenza elettrochimica, voltammetria ciclica e test di carica e scarica galvanostatica), sia in una configurazione a tre elettrodi sia nella configurazione a due elettrodi. Il trattamento termico a 350 °C si è rivelato importante per migliorare le prestazioni capacitive di entrambi i materiali, il carbone attivo originario e l’ibrido AC-allumina, grazie all’aumento di conduttività elettrica che per il suo tramite si ottiene. La cella tipo supercondensatore assemblata con elettrodi di ibrido AC-allumina come elettrodo negativo e di carbone attivo come elettrodo positivo, con entrambi i componenti attivi trattati termicamente a 350°C, mostra prestazioni migliori rispetto alla cella simmetrica del supercondensatore a carbone attivo.