Un sustentable, un potente micro-supercondensador puede estar en el horizonte, gracias a una colaboración internacional de investigadores de Penn State y la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China. Hasta ahora, la alta capacidad, Los dispositivos de almacenamiento de energía de carga rápida se han visto limitados por la composición de sus electrodos, las conexiones responsables de gestionar el flujo de electrones durante la carga y dispensación de energía. Ahora, Los investigadores han desarrollado un mejor material para mejorar la conectividad manteniendo la reciclabilidad y el bajo costo.

Publicaron sus resultados el 8 de febrero en el Revista de Química de Materiales A .

"El supercondensador es muy potente, dispositivo denso en energía con una velocidad de carga rápida, en contraste con la batería típica, pero ¿podemos hacerla más potente, más rápido y con un ciclo de retención realmente alto? ", preguntó Jia Zhu. autor correspondiente y estudiante de doctorado que realiza una investigación en el laboratorio de Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Profesora de desarrollo profesional en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica de Penn State.

Zhu trabajó bajo la tutela de Cheng para explorar las conexiones en un micro-supercondensador, que utilizan en sus investigaciones sobre pequeños sensores portátiles para monitorear los signos vitales y más. Óxido de cobalto, un abundante, material económico que tiene una capacidad teóricamente alta para transferir rápidamente cargas de energía, normalmente compone los electrodos. Sin embargo, los materiales que se mezclan con el óxido de cobalto para hacer un electrodo pueden reaccionar mal, resultando en una capacidad energética mucho menor de lo que teóricamente es posible.

Los investigadores ejecutaron simulaciones de materiales de una biblioteca atómica para ver si agregar otro material, también llamado dopaje, podría amplificar las características deseadas del óxido de cobalto como electrodo al proporcionar electrones adicionales y minimizar, o eliminando por completo, los efectos negativos. Modelaron varias especies de materiales y niveles para ver cómo interactuarían con el óxido de cobalto.

"Examinamos los posibles materiales, pero descubrimos que muchos que podrían funcionar eran demasiado caros o tóxicos, así que seleccionamos estaño, ", Dijo Zhu." El estaño está ampliamente disponible a bajo costo, y no es dañino para el medio ambiente ".

En las simulaciones, Los investigadores encontraron que al sustituir parcialmente estaño por algo de cobalto y unir el material a una película de grafeno disponible comercialmente, un material de un solo átomo de espesor que soporta materiales electrónicos sin cambiar sus propiedades, podrían fabricar lo que llamaron un material de bajo costo, electrodo de fácil desarrollo.

Una vez que se completaron las simulaciones, el equipo en China llevó a cabo experimentos para ver si la simulación podía actualizarse.

"Los resultados experimentales verificaron una conductividad significativamente mayor de la estructura del óxido de cobalto después de la sustitución parcial por estaño, "Se espera que el dispositivo desarrollado tenga aplicaciones prácticas prometedoras como dispositivo de almacenamiento de energía de próxima generación", dijo Zhu.

Próximo, Zhu y Cheng planean usar su propia versión de película de grafeno, una espuma porosa creada cortando parcialmente y luego rompiendo el material con láseres, para fabricar un condensador flexible que permita una conductividad fácil y rápida.

"El supercondensador es un componente clave, pero también estamos interesados ​​en combinar con otros mecanismos para que sirvan tanto como recolector de energía como sensor, ", Dijo Cheng." Nuestro objetivo es poner muchas funciones en una dispositivo autoalimentado ".