Un micro-supercondensador potente y sostenible 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, los dispositivos de almacenamiento de energía de carga rápida y alta capacidadhan estado limitadas por la composición de sus electrodos, las conexiones responsables de administrar el flujo de electrones durante la carga y dispensación de energía. Ahora, los investigadores han desarrollado un material mejor 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 un dispositivo muy potente y denso en energía con una velocidad de carga rápida, en contraste con la batería típica, pero ¿podemos hacerlo 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 Career Development Professor en el Departamento de Ingeniería, Ciencia y Mecánica de Penn State.
Zhu trabajó bajo la tutela de Cheng para explorar las conexiones en un micro-supercondensador, que utilizan en su investigación sobre pequeños sensores portátiles para monitorear los signos vitales y más. Óxido de cobalto, un material abundante y económico que tiene una capacidad teóricamente alta paratransfieren rápidamente cargas de energía, por lo general forman los electrodos. Sin embargo, los materiales que se mezclan con el óxido de cobalto para hacer un electrodo pueden reaccionar mal, lo que resulta en una capacidad de energía 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 mientras minimiza, o elimina 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, por lo que seleccionamos el 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 el 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 fabricarlo que llamaron un electrodo de bajo costo y fácil de desarrollar.
Una vez que se completaron las simulaciones, el equipo en China realizó 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", dijo Zhu. "Se espera que el dispositivo desarrollado tenga aplicaciones prácticas prometedoras como dispositivo de almacenamiento de energía de próxima generación".
A continuación, 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 combinarlo con otros mecanismos para que sirvan como recolector de energía y sensor", dijo Cheng. "Nuestro objetivo es poner muchas funciones en un simple,dispositivo autoalimentado. "
La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China apoyó este trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State . Original escrito por Ashley WennersHerron. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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