En hållbar, kraftfull mikro-superkondensator kan vara i horisonten, tack vare ett internationellt samarbete mellan forskare från Penn State och University of Electronic Science and Technology of China. Tills nu, hög kapacitet, Snabbladdningsenergilagringsenheter har begränsats av sammansättningen av deras elektroder-anslutningarna som är ansvariga för att hantera elektronflödet under laddning och utmatning av energi. Nu, forskare har utvecklat ett bättre material för att förbättra anslutningen samtidigt som de behåller återvinningsbarhet och låg kostnad.

De publicerade sina resultat den 8 februari i Journal of Materials Chemistry A .

"Superkondensatorn är en mycket kraftfull, energität enhet med snabb laddningshastighet, i kontrast till det vanliga batteriet - men kan vi göra det mer kraftfullt, snabbare och med en riktigt hög retentionscykel? "frågade Jia Zhu, motsvarande författare och doktorand som forskar i laboratoriet i Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriärutvecklingsprofessor vid Penn State Department of Engineering Science and Mechanics.

Zhu arbetade under Chengs mentorskap för att utforska anslutningarna i en mikro-superkapacitor, som de använder i sin forskning om små, bärbara sensorer för att övervaka vitala tecken och mer. Koboltoxid, en riklig, billigt material som har en teoretiskt hög kapacitet att snabbt överföra energiladdningar, vanligtvis utgör elektroderna. Dock, materialen som blandas med koboltoxid för att göra en elektrod kan reagera dåligt, vilket resulterar i en mycket lägre energikapacitet än teoretiskt möjligt.

Forskarna körde simuleringar av material från ett atombibliotek för att se om tillsats av ett annat material - även kallat dopning - kan förstärka de önskade egenskaperna hos koboltoxid som en elektrod genom att tillhandahålla extra elektroner samtidigt som man minimerar, eller helt ta bort, de negativa effekterna. De modellerade olika materialarter och nivåer för att se hur de skulle interagera med koboltoxid.

"Vi screenade möjliga material men fann att många som kan fungera var för dyra eller giftiga, så vi valde tenn, "Zhu sa." Tenn är allmänt tillgängligt till en låg kostnad, och det är inte skadligt för miljön. "

I simuleringarna, fann forskarna att genom att delvis ersätta tenn med en del av kobolten och binda materialet till en kommersiellt tillgänglig grafenfilm-ett tjockt atom som stöder elektroniskt material utan att ändra deras egenskaper-skulle de kunna tillverka vad de kallade en låg kostnad, lätt att utveckla elektrod.

När simuleringarna var klara, laget i Kina utförde experiment för att se om simuleringen kunde realiseras.

"De experimentella resultaten verifierade en signifikant ökad konduktivitet hos koboltoxidstrukturen efter partiell substitution med tenn, "Sade Zhu." Den utvecklade enheten förväntas ha lovande praktiska tillämpningar som nästa generations energilagringsenhet. "

Nästa, Zhu och Cheng planerar att använda sin egen version av grafenfilm - ett poröst skum skapat genom att delvis skära och sedan bryta materialet med lasrar - för att tillverka en flexibel kondensator för att möjliggöra enkel och snabb konduktivitet.

"Superkondensatorn är en nyckelkomponent, men vi är också intresserade av att kombinera med andra mekanismer för att fungera som både en energiskördare och en sensor, "Cheng sa." Vårt mål är att lägga in många funktioner i en enkel, självdriven enhet. "