Un sostenibile, un potente micro-supercondensatore potrebbe essere all'orizzonte, grazie a una collaborazione internazionale di ricercatori della Penn State e della University of Electronic Science and Technology of China. Fino ad ora, l'elevata capacità, i dispositivi di accumulo di energia a ricarica rapida sono stati limitati dalla composizione dei loro elettrodi, le connessioni responsabili della gestione del flusso di elettroni durante la carica e l'erogazione di energia. Ora, i ricercatori hanno sviluppato un materiale migliore per migliorare la connettività mantenendo la riciclabilità e il basso costo.

Hanno pubblicato i loro risultati l'8 febbraio nel Journal of Materials Chemistry A .

"Il supercondensatore è molto potente, dispositivo ad alta densità di energia con una velocità di ricarica rapida, in contrasto con la batteria tipica, ma possiamo renderla più potente, più veloce e con un ciclo di ritenzione davvero alto?" ha chiesto Jia Zhu, autore corrispondente e studente di dottorato che conduce ricerche nel laboratorio di Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professore per lo sviluppo della carriera presso il Dipartimento di Ingegneria e Meccanica della Penn State.

Zhu ha lavorato sotto la guida di Cheng per esplorare le connessioni in un micro-supercondensatore, che usano nella loro ricerca su piccoli, sensori indossabili per monitorare i segni vitali e altro ancora. ossido di cobalto, un abbondante, materiale economico che ha una capacità teoricamente elevata di trasferire rapidamente cariche energetiche, tipicamente costituisce gli elettrodi. Però, i materiali che si mescolano con l'ossido di cobalto per formare un elettrodo possono reagire male, risultando in una capacità energetica molto inferiore a quella teoricamente possibile.

I ricercatori hanno eseguito simulazioni di materiali da una libreria atomica per vedere se l'aggiunta di un altro materiale, chiamato anche doping, potrebbe amplificare le caratteristiche desiderate dell'ossido di cobalto come elettrodo fornendo elettroni extra riducendo al minimo, o rimuovendo completamente, gli effetti negativi. Hanno modellato varie specie e livelli di materiali per vedere come avrebbero interagito con l'ossido di cobalto.

"Abbiamo esaminato i possibili materiali, ma abbiamo scoperto che molti che potrebbero funzionare erano troppo costosi o tossici, quindi abbiamo selezionato lo stagno, " Zhu ha detto. "Lo stagno è ampiamente disponibile a basso costo, e non è dannoso per l'ambiente".

Nelle simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che sostituendo parzialmente parte del cobalto allo stagno e legando il materiale a un film di grafene disponibile in commercio, un materiale spesso un atomo che supporta i materiali elettronici senza modificarne le proprietà, potevano fabbricare quello che chiamavano un a basso costo, elettrodo di facile sviluppo.

Una volta completate le simulazioni, il team in Cina ha condotto esperimenti per vedere se la simulazione poteva essere attualizzata.

"I risultati sperimentali hanno verificato una conduttività significativamente aumentata della struttura dell'ossido di cobalto dopo la sostituzione parziale con stagno, " Zhu ha detto. "Il dispositivo sviluppato dovrebbe avere applicazioni pratiche promettenti come dispositivo di accumulo di energia di prossima generazione".

Prossimo, Zhu e Cheng hanno in programma di utilizzare la propria versione di pellicola di grafene, una schiuma porosa creata tagliando parzialmente e quindi rompendo il materiale con i laser, per fabbricare un condensatore flessibile per consentire una conduttività facile e veloce.

"Il supercondensatore è un componente chiave, ma siamo anche interessati a combinare con altri meccanismi per fungere sia da raccoglitore di energia che da sensore, " Cheng ha detto. "Il nostro obiettivo è mettere molte funzioni in un semplice, dispositivo autoalimentato."