Zinnelektrode verstärkt Superkondensatoren

Leistungsstarke, schnell aufladbare Superkondensator-Energiespeichergeräte sind durch die Zusammensetzung ihrer Elektroden begrenzt – die Verbindungen, die für die Steuerung des Elektronenflusses während des Ladens und der Abgabe von Energie verantwortlich sind. Forscher haben jetzt ein besseres Material entwickelt, um die Konnektivität zu verbessern und gleichzeitig die Recyclingfähigkeit und die niedrigen Kosten beizubehalten.

Das Team untersuchte die Verbindungen in einem Mikro-Superkondensator, den sie in ihren kleinen, tragbaren Sensoren zur Überwachung von Vitalfunktionen und mehr verwenden. Kobaltoxid – ein reichlich vorhandenes, kostengünstiges Material mit einer theoretisch hohen Kapazität zur schnellen Übertragung von Energieladungen – bildet typischerweise die Elektroden. Die Materialien, die sich mit Kobaltoxid zur Herstellung einer Elektrode mischen, können jedoch schlecht reagieren, was zu einer viel geringeren Energiekapazität führt als theoretisch möglich.

Die Forscher führten Simulationen von Materialien aus einer Atombibliothek durch, um zu sehen, ob das Hinzufügen eines anderen Materials – auch Dotierung genannt – die gewünschten Eigenschaften von Kobaltoxid als Elektrode verstärken könnte, indem zusätzliche Elektronen bereitgestellt werden, während die negativen Auswirkungen minimiert oder vollständig beseitigt werden. Sie modellierten verschiedene Materialarten und -ebenen, um zu sehen, wie sie mit Kobaltoxid interagieren würden. Viele der möglichen Materialien waren zu teuer oder giftig, daher entschied sich das Team für Zinn, das zu geringen Kosten erhältlich und nicht schädlich für die Umwelt ist.

In den Simulationen fanden die Forscher heraus, dass sie durch teilweises Ersetzen eines Teils des Kobalts durch Zinn und Binden des Materials an einen kommerziell erhältlichen Graphenfilm – ein Material mit einer Dicke von einem Atom, das elektronische Materialien trägt, ohne ihre Eigenschaften zu verändern – kostengünstig herstellen könnten , einfach zu entwickelnde Elektrode. Nachdem die Simulationen abgeschlossen waren, führte das Team Experimente durch, um zu sehen, ob die Simulation verwirklicht werden konnte.

Die experimentellen Ergebnisse belegten eine deutlich erhöhte Leitfähigkeit der Kobaltoxidstruktur nach teilweiser Substitution durch Zinn. Es wird erwartet, dass das entwickelte Gerät vielversprechende praktische Anwendungen als Energiespeichergerät der nächsten Generation haben wird.

Als nächstes plant das Team, seine eigene Version von Graphenfilm zu verwenden – einen porösen Schaum, der durch teilweises Schneiden und anschließendes Brechen des Materials mit Lasern entsteht –, um einen flexiblen Kondensator herzustellen, der eine einfache und schnelle Leitfähigkeit ermöglicht. Der Superkondensator ist eine Schlüsselkomponente. Das Team ist auch daran interessiert, mit anderen Mechanismen zu kombinieren, um als Energiesammler und Sensor zu dienen.