Titlul Proiectului: Electrozi inovatori pe bază de grafena – nitrură de carbon pentru celule de supercondensatoare
Acronim: EGRAN-CELL
Programe/ Tip Proiect: PNCDI IV - Program 5.7 - Parteneriat pentru Inovare, Subprogramul 5.7.1 Parteneriate pentru competitivitate. Proiect Experimental Demonstrativ (PED)
Contract nr. 3⁄ 2025 (PN-IV-P7-7.1-PED-2024-2280)
Durata Proiect: 08/01/2025 - 31/12/2026
Buget Proiect: 750.000 lei
Coordonator: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologii – IMT Bucureşti (www.imt.ro)
Agentie contractanta: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării – UEFISCDI (www.uefiscdi.gov.ro)
Director de proiect: Dr. Alexandru Cosmin Obreja (cosmin.obreja@imt.ro)

Pentru utilizarea optimă a energiei regenerabile, este esențial să se stocheze energia generată într-un sistem fiabil de stocare, pentru a fi utilizată atunci când este nevoie. Una dintre cele mai eficiente metode de stocare a energiei regenerabile este prin tehnologii electrochimice de stocare. Supercondensatoarele sunt cunoscute pentru densitatea lor mare de putere, în timp ce bateriile excelează în densitatea energiei. Datorită naturii lor dense în putere, supercondensatoarele sunt deosebit de utile pentru reglarea cerințelor de putere, condiționarea puterii în timpul cererilor de vârf și captarea puterii de supratensiune. Performanța electrochimică a supercondensatoarelor, depinde însă în mare măsură de proprietățile materialelor electrozilor lor. Hidroxidul dublu stratificat de nichel-cobalt este un material atractiv pentru avantajele sale, inclusiv capacitatea specifică teoretică ridicată, ușurința în fabricare și stabilitatea ciclică pentru aplicațiile de stocare a energiei. Încercările de creștere a capacității specifice includ cercetări intensive asupra hidroxizilor dubli stratificați și a compozitelor de materiale derivate din carbon sau pentru a menține un control al suprafeței specifice prin reglarea morfologiei ierarhice a acestui material. Proiectul propus (EGRAN-CELL) constă în fabricarea unui nanocompozit ternar într-o arhitectură bine definită, în care nanoparticulele de nitrură de carbon grafitică acționează ca o schelă în timpul reducerii oxidului de grafen, păstrând în acest fel reaglomerarea fulgilor de grafenă. Hidroxidul dublu stratificat de nichel-cobalt (LDH) format în prezența nanocompozitului oxid de grafenă redus-nitrură de carbon prezintă o morfologie “core-shell” în care RGO-gCN sunt acoperite predominant cu o structură lamelară LDH. Metoda propusă de EGRAN-CELL este dezvoltarea unei celule de supercondensator într-un model experimental cu caracteristici definite de la nivelul TRL2 la TRL 4, cu scopul de a demonstra fezabilitatea caracteristicilor inovatoare.

• National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT-Bucharest)
• Apel Laser SRL

Scopul principal al acestui proiect este dezvoltarea și validarea unor electrozi ternari inovatori pentru celule de supercondensatoare în domeniul dispozitivelor de stocare a energiei, unde arhitectura constă dintr-o structură compozită ternară, incluzând nitrură de carbon grafitică (gCN), oxid de grafenă redus (RGO) și hidroxid dublu stratificat de nichel-cobalt (NiCoLDH). Materialul electrodului, într-o arhitectură ierarhică bine contolată, va oferi o capacitate specifică ridicată, care îmbunătățește semnificativ densitatea de energie, densitatea de putere și stabilitatea ciclului într-o singură celulă asamblată. Performanța așteptată a noului electrod ternar în configurație asimetrică a celulei va oferi o densitate de energie de 30 Wh/kg, o densitate de putere de minimum 800 W/kg, cu o capacitate specifică a electrodului de cel puțin 2000 F/g, o stabilitate ciclică de peste 90% după 5000 de cicluri și o fereastră de potențial țintă de 1,2–1,6 V.
Obiectivele generale al acestui proiect includ:
• Sinteza și caracterizarea oxidului de grafenă redus (RGO), a nitrurii de carbon (g-CN) și a electrodului cu arhitectură ternară RGO/g-CN@NiCoLDH și evaluarea electrochimică. Scopul este de a obține un material ternar cu porozitate controlată și suprafață specifică prin monitorizarea parametrilor de sinteză și morfologie. Potențialul performanței capacitive va fi evaluat electrochimic înainte de fabricarea electrozilor.
• Fabricarea electrozilor, dezvoltarea celulei supercondensatoare, evaluarea specificațiilor și performanței modelului de laborator. Având primele proprietăți de capacitate demonstrate, materialul activ va fi utilizat pentru fabricarea de electrozi pentru împachetarea într-o structură sandwich folosind un separator și un electrolit.

Etapa 1/2025:

In această etapa au fost preparate şi caracterizate morfologic şi structural materialele constituente pentru sinteza  electrodului ternar. Au fost stabilite fluxurile de fabricație pentru fiecare constituent în parte. Materialul ternar a fost preparat prin variația materialelor constituente şi caracterizat morfologic şi structural. Materialul ternar a fost utilizat în compoziţia electrodului activ şi caracterizat electrochimic.
Într-o prima fază a fost sintetizat oxidul de grafenă (GO) dispersat în solutie apoasă prin metoda Hummers. Loturile obţinute au fost caracterizate morfologic şi structural fiind selectat lotul cu gradul de oxidare cel mai ridicat. Oxidul de grafenă redus a fost preparat şi utilizat ca referință. Nitrura de carbon grafitică (g-CN) a fost sintetizată prin procedeul de piroliză utilizând materii prime aminice pe baza de uree, melamină sau amestec de acid cianuric/melamină. Au fost abordate metode de exfoliere a nitrurii de carbon prin ultrasonare şi ultrasonare chimica combinată. Loturile de oxid de grafenă şi nitrură de carbon au fost caracterizate morfologic şi structural prin tehnici FTIR, SEM, Raman şi XRD. În urmatorul pas au fost preparați precursorii binari în diverse rapoarte RGO/g-CN prin metoda hidrotermală. Apoi hidroxidul dublu stratificat de nichel-cobalt (NiCoLDH) a fost sintetizat in-situ utilizand precursorii binari prin metoda solvotermală pentru obținerea materialului ternar (NiCoLDH@RGO/g-CN). Atât precursorii binari cat şi cei ternari au fost caracterizaţi morfologic şi structural prin tehnici FTIR, SEM ,EDAX, Raman şi XRD. Materialul ternar  a fost utilizat în prepararea cernelurilor pentru electrozi şi depunerea pe folie de nichel. Electrozii au fost testați prin voltametrie ciclică (CV) si cicluri de incarcare-descărcare (GCD) în electrolit apos KOH. Au fost preparate structuri sandwich de doi electrozi într-o configurație simetrică utilizând separator celulozic şi electrolit gel pe baza de KOH. Supercapacitorii simetrici au fost testați electrochimic prin voltametrie ciclica şi cicluri de încarcare-descărcare. Diseminarea rezultatelor s-a realizat prin intermediul unor comunicări prezentate la conferințe internaționale, sub formă de prezentări orale și postere.

Conferences

1. A-C. Obreja, M. Stoian, V. Ţucureanu, O. Brȋncoveanu, R. Gavrilă, I. Bratoşin Investigation of carbon nitride in ternary compositions based on nickel cobalt layered double hydroxide and graphene for supercapacitor applications, 17th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-17), November 16 - 23, 2025 Shizuoka University, Hamamatsu, Japan (Lecture).
2. A-C. Obreja, M. Stoian, V. Ţucureanu, O. Brȋncoveanu, F. Comanescu, I. Bratoşin, A. Enache, M. Udrea, B. Chiricuțǎ, “Nickel cobalt double layered hydroxide ternary nanocomposites for supercapacitor applications”,  48th International Semiconductor Conference (CAS 2025), October 7-11 2025, Sinaia, Romania (Lecture).
3. M. Stoian, A. Baracu, C. Romanitan, O. Brincoveanu, A. Radoi, “Sol-gel synthesis of cobalt oxide nanoparticles for energy storage applications”, 48th International Semiconductor Conference - CAS 2025, Sinaia, Romania, October 7-11, 2025 (Lecture).
4. M. Stoian, A. Baracu, C. Romanitan, O. Brincoveanu, A. Radoi, Synthesis of cobalt oxide and cobalt hexacyanoferrate nanoparticles for electrode development with energy storage applications, 8th Autumn School on Physics of Advanced Materials (PAMS-8), Hamamatsu, Shizuoka, Japan, November 16–23, 2025 (Poster).