Metallic Nanostructured Electrodes using Anodic Aluminum Oxide Templates for Energy Storage Applications

Abstract

Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i l'avaluació electroquímica d’elèctrodes nanoestructurats de níquel per a aplicacions d'emmagatzematge d’energia, especialment en supercondensadors. La recerca respon a la necessitat creixent de tecnologies d’emmagatzematge energètic eficients i escalables mitjançant el disseny d’elèctrodes amb alta àrea superficial utilitzant plantilles d’alúmina anòdica nanoporosa (NAA). Aquestes plantilles es van fabricar mitjançant un procés d’anodització en dues etapes, seguit d’un aprimament in situ de la capa de barrera per permetre l’electrodeposició directa.Les nanovarilles de níquel es van sintetitzar dins dels porus de la NAA mitjançant electrodeposició polsada. Es van desenvolupar dos tipus d’elèctrodes: nanovarilles parcialment exposades (Ni-NR@NAA) i nanovarilles redepositades (Ni-R-NR@NAA), aquestes darreres amb una capa addicional de níquel per millorar-ne l’estabilitat estructural. Després d’eliminar la plantilla, els elèctrodes es van caracteritzar mitjançant SEM i EDX per confirmar-ne la morfologia i composició.La caracterització electroquímica mitjançant voltamperometria cíclica (CV), càrrega-descàrrega galvanostàtica (GCD) i espectroscòpia d’impedància electroquímica (EIS) va demostrar que els elèctrodes redepositats presentaven un comportament més capacitiu i una millor estabilitat. Les cel·les simètriques fabricades van mostrar una elevada capacitat específica, baixa resistència interna i una bona retenció després de 5000 cicles.

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y la evaluación electroquímica de electrodos nanoestructurados de níquel para aplicaciones de almacenamiento de energía, en particular supercondensadores. La investigación responde a la creciente demanda mundial de tecnologías de almacenamiento energético eficientes y escalables mediante el diseño de electrodos de alta superficie específica utilizando plantillas de alúmina anódica nanoporosa (NAA). Estas plantillas se fabricaron mediante un proceso de doble anodización, seguido de un adelgazamiento in situ de la capa barrera para permitir la electrodeposición directa.Las nanovarillas de níquel se sintetizaron dentro de los poros de la NAA mediante electrodeposición pulsada. Se desarrollaron dos tipos de electrodos: nanovarillas parcialmente expuestas (Ni-NR@NAA) y nanovarillas con redosificación (Ni-R-NR@NAA), estas últimas reforzadas con una capa adicional de níquel para mejorar la estabilidad estructural. Tras la eliminación de la plantilla, los electrodos se caracterizaron mediante SEM y EDX para confirmar su morfología y composición.La caracterización electroquímica mediante voltamperometría cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) mostró que los electrodos con redosificación presentaban un mejor comportamiento capacitivo y mayor estabilidad durante el ciclado. Se ensamblaron celdas supercondensadoras simétricas que demostraron alta capacitancia específica, baja resistencia interna y buena retención tras 5000 ciclos.

This PhD thesis focuses on the development and electrochemical evaluation of nanostructured nickel electrodes for energy storage applications, particularly in supercapacitors. The research responds to the global demand for efficient and scalable energy storage technologies by designing high-surface-area electrodes using nanoporous anodic alumina (NAA) templates. These templates were fabricated through a two-step anodization process, followed by in-situ barrier layer thinning to allow direct electrodeposition. Nickel nanorods were synthesized inside the NAA pores using pulsed electrodeposition. Two types of electrodes were developed: partially exposed nanorods (Ni-NR@NAA) and redeposited nanorods (Ni-R-NR@NAA), with the latter incorporating an additional nickel layer for improved structural stability. After removing the NAA template, the free-standing electrodes were characterized using SEM and EDX to confirm their morphology and composition.Electrochemical characterization using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge–discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) demonstrated that the redeposited electrodes exhibited enhanced capacitive behaviour and better cycling stability compared to the partially etched ones. Symmetric supercapacitor cells were assembled and tested, showing high specific capacitance, low internal resistance, and good retention over 5000 cycles.