Een duurzame, krachtige micro-supercondensator kan aan de horizon zijn, dankzij een internationale samenwerking van onderzoekers van Penn State en de University of Electronic Science and Technology of China. Tot nu, de hoge capaciteit, snelladende energieopslagapparaten zijn beperkt door de samenstelling van hun elektroden - de verbindingen die verantwoordelijk zijn voor het beheer van de stroom van elektronen tijdens het opladen en afgeven van energie. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een beter materiaal ontwikkeld om de connectiviteit te verbeteren met behoud van recycleerbaarheid en lage kosten.

Ze publiceerden hun resultaten op 8 februari in de Journal of Materials Chemistry A .

"De supercondensator is een zeer krachtige, energierijk apparaat met een snelle oplaadsnelheid, in tegenstelling tot de typische batterij, maar kunnen we deze krachtiger maken, sneller en met een echt hoge retentiecyclus?" vroeg Jia Zhu, corresponderende auteur en doctoraatsstudent die onderzoek doet in het laboratorium van Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professor in loopbaanontwikkeling aan het Department of Engineering Science and Mechanics van Penn State.

Zhu werkte onder het mentorschap van Cheng om de verbindingen in een micro-supercondensator te onderzoeken, die ze gebruiken in hun onderzoek naar kleine, draagbare sensoren voor het bewaken van vitale functies en meer. Kobaltoxide, een overvloedige, goedkoop materiaal met een theoretisch hoog vermogen om snel energieladingen over te dragen, vormt typisch de elektroden. Echter, de materialen die zich vermengen met kobaltoxide om een ​​elektrode te maken, kunnen slecht reageren, resulterend in een veel lagere energiecapaciteit dan theoretisch mogelijk is.

De onderzoekers voerden simulaties uit van materialen uit een atomaire bibliotheek om te zien of het toevoegen van een ander materiaal - ook wel doping genoemd - de gewenste eigenschappen van kobaltoxide als elektrode zou kunnen versterken door extra elektronen te leveren terwijl het minimaliseren, of geheel verwijderen, de negatieve effecten. Ze modelleerden verschillende materiaalsoorten en niveaus om te zien hoe ze zouden interageren met kobaltoxide.

"We hebben mogelijke materialen gescreend, maar veel gevonden die zouden kunnen werken, waren te duur of giftig, dus we kozen voor tin, "Zei Zhu. "Tin is overal verkrijgbaar tegen lage kosten, en het is niet schadelijk voor het milieu."

In de simulaties de onderzoekers ontdekten dat door een deel van het kobalt gedeeltelijk te vervangen door tin en het materiaal te binden aan een in de handel verkrijgbare grafeenfilm - een materiaal met een dikte van één atoom dat elektronische materialen ondersteunt zonder hun eigenschappen te veranderen - ze konden fabriceren wat ze een goedkope, eenvoudig te ontwikkelen elektrode.

Nadat de simulaties waren voltooid, het team in China voerde experimenten uit om te zien of de simulatie kon worden geactualiseerd.

"De experimentele resultaten bevestigden een significant verhoogde geleidbaarheid van de kobaltoxidestructuur na gedeeltelijke vervanging door tin, "Zei Zhu. "Het ontwikkelde apparaat zal naar verwachting veelbelovende praktische toepassingen hebben als het energieopslagapparaat van de volgende generatie."

Volgende, Zhu en Cheng zijn van plan om hun eigen versie van grafeenfilm te gebruiken - een poreus schuim dat wordt gemaakt door het materiaal gedeeltelijk te snijden en vervolgens te breken met lasers - om een ​​flexibele condensator te fabriceren die zorgt voor gemakkelijke en snelle geleiding.

"De supercondensator is een belangrijk onderdeel, maar we zijn ook geïnteresseerd in een combinatie met andere mechanismen om zowel als energieoogstmachine als sensor te dienen, " Cheng zei. "Ons doel is om veel functies in een eenvoudige, zelfvoorzienend apparaat."