Un durable, un puissant micro-supercondensateur est peut-être à l'horizon, grâce à une collaboration internationale de chercheurs de Penn State et de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine. Jusqu'à maintenant, la grande capacité, Les dispositifs de stockage d'énergie à charge rapide ont été limités par la composition de leurs électrodes, les connexions responsables de la gestion du flux d'électrons pendant la charge et la distribution d'énergie. Maintenant, les chercheurs ont développé un meilleur matériau pour améliorer la connectivité tout en maintenant la recyclabilité et le faible coût.

Ils ont publié leurs résultats le 8 février dans le Journal de la chimie des matériaux A .

"Le supercondensateur est un très puissant, appareil à haute densité énergétique avec un taux de charge rapide, contrairement à la batterie typique, mais pouvons-nous la rendre plus puissante, plus rapide et avec un cycle de rétention vraiment élevé ?" a demandé Jia Zhu, auteur correspondant et doctorant effectuant des recherches dans le laboratoire de Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professeur de développement de carrière au Département des sciences de l'ingénieur et de la mécanique de Penn State.

Zhu a travaillé sous le mentorat de Cheng pour explorer les connexions dans un micro-supercondensateur, qu'ils utilisent dans leurs recherches sur les petits, capteurs portables pour surveiller les signes vitaux et plus encore. Oxyde de cobalt, une abondante, matériau peu coûteux qui a une capacité théoriquement élevée de transférer rapidement des charges énergétiques, constitue généralement les électrodes. Cependant, les matériaux qui se mélangent à l'oxyde de cobalt pour faire une électrode peuvent mal réagir, résultant en une capacité énergétique beaucoup plus faible que théoriquement possible.

Les chercheurs ont effectué des simulations de matériaux à partir d'une bibliothèque atomique pour voir si l'ajout d'un autre matériau, également appelé dopage, pourrait amplifier les caractéristiques souhaitées de l'oxyde de cobalt en tant qu'électrode en fournissant des électrons supplémentaires tout en minimisant, ou supprimer entièrement, les effets négatifs. Ils ont modélisé diverses espèces et niveaux de matériaux pour voir comment ils interagiraient avec l'oxyde de cobalt.

"Nous avons passé au crible les matériaux possibles, mais avons trouvé que beaucoup qui pourraient fonctionner étaient trop chers ou toxiques, nous avons donc choisi l'étain, " a déclaré Zhu. " L'étain est largement disponible à faible coût, et ce n'est pas nocif pour l'environnement."

Dans les simulations, les chercheurs ont découvert qu'en substituant partiellement une partie du cobalt à l'étain et en liant le matériau à un film de graphène disponible dans le commerce - un matériau épais à un seul atome qui supporte les matériaux électroniques sans modifier leurs propriétés - ils pouvaient fabriquer ce qu'ils appelaient un produit à faible coût, électrode facile à développer.

Une fois les simulations terminées, l'équipe en Chine a mené des expériences pour voir si la simulation pouvait être actualisée.

"Les résultats expérimentaux ont vérifié une conductivité significativement augmentée de la structure d'oxyde de cobalt après substitution partielle par l'étain, " a déclaré Zhu. " Le dispositif développé devrait avoir des applications pratiques prometteuses en tant que dispositif de stockage d'énergie de nouvelle génération. "

Prochain, Zhu et Cheng prévoient d'utiliser leur propre version de film de graphène - une mousse poreuse créée en coupant partiellement puis en cassant le matériau avec des lasers - pour fabriquer un condensateur flexible permettant une conductivité facile et rapide.

"Le supercondensateur est un élément clé, mais nous sommes également intéressés à combiner avec d'autres mécanismes pour servir à la fois de récupérateur d'énergie et de capteur, " a déclaré Cheng. "Notre objectif est de mettre beaucoup de fonctions dans un simple, appareil auto-alimenté."