Billig tin pakker et stort slag for fremtiden for superkapacitorer

En bæredygtig, kraftig mikro-superkondensator kan være i horisonten, takket være et internationalt samarbejde mellem forskere fra Penn State og University of Electronic Science and Technology of China. Indtil nu, den høje kapacitet, hurtigopladende energilagringsenheder har været begrænset af sammensætningen af ​​deres elektroder-forbindelserne, der er ansvarlige for at styre elektronstrømmen under opladning og udlevering af energi. Nu, forskere har udviklet et bedre materiale til forbedring af tilslutningsmuligheder, samtidig med at de bevarer genanvendelighed og lave omkostninger.

De offentliggjorde deres resultater den 8. februar i Journal of Materials Chemistry A .

"Superkapacitoren er en meget kraftfuld, energitæt enhed med en hurtig opladningshastighed, i modsætning til det typiske batteri - men kan vi gøre det mere kraftfuldt, hurtigere og med en virkelig høj fastholdelsescyklus? "spurgte Jia Zhu, tilsvarende forfatter og doktorand, der forsker i laboratoriet i Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriereudviklingsprofessor i Penn State's Institut for Ingeniørvidenskab og Mekanik.

Zhu arbejdede under Chengs mentorskab for at undersøge forbindelserne i en mikro-superkapacitor, som de bruger i deres forskning om små, bærbare sensorer til at overvåge vitale tegn og mere. Koboltoxid, en rigelig, billigt materiale, der har en teoretisk høj kapacitet til hurtigt at overføre energiladninger, udgør typisk elektroderne. Imidlertid, de materialer, der blandes med koboltoxid til fremstilling af en elektrode, kan reagere dårligt, resulterer i en meget lavere energikapacitet end teoretisk muligt.

Forskerne kørte simuleringer af materialer fra et atombibliotek for at se, om tilføjelse af et andet materiale - også kaldet doping - kunne forstærke de ønskede egenskaber ved koboltoxid som en elektrode ved at tilvejebringe ekstra elektroner, mens det minimeres, eller helt fjerne, de negative effekter. De modellerede forskellige materialearter og niveauer for at se, hvordan de ville interagere med koboltoxid.

"Vi screenede mulige materialer, men fandt mange, der kunne fungere, var for dyre eller giftige, så vi valgte tin, "Sagde Zhu." Tin er bredt tilgængeligt til en lav pris, og det er ikke skadeligt for miljøet. "

I simuleringerne forskerne fandt ud af, at ved delvist at erstatte noget af kobolten med tin og binde materialet til en kommercielt tilgængelig grafenfilm-et enkelt atom tykt materiale, der understøtter elektroniske materialer uden at ændre deres egenskaber-kunne de fremstille det, de kaldte en billig pris, let at udvikle elektrode.

Når simuleringerne var afsluttet, holdet i Kina gennemførte eksperimenter for at se, om simuleringen kunne aktualiseres.

"De eksperimentelle resultater bekræftede en signifikant øget ledningsevne for koboltoxidstrukturen efter delvis substitution med tin, "Zhu sagde." Den udviklede enhed forventes at have lovende praktiske anvendelser som næste generations energilagringsenhed. "

Næste, Zhu og Cheng planlægger at bruge deres egen version af grafenfilm - et porøst skum, der er skabt ved delvis at skære og derefter bryde materialet med lasere - til at fremstille en fleksibel kondensator for at muliggøre let og hurtig ledningsevne.

"Superkapacitoren er en nøglekomponent, men vi er også interesserede i at kombinere med andre mekanismer til at fungere som både en energihøster og en sensor, "Cheng sagde." Vores mål er at sætte mange funktioner i en enkel, selvdrevet enhed. "