Sustentável, um micro-supercapacitor poderoso pode estar no horizonte, graças a uma colaboração internacional de pesquisadores da Penn State e da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China. Até agora, a alta capacidade, Os dispositivos de armazenamento de energia de carregamento rápido são limitados pela composição de seus eletrodos - as conexões responsáveis ​​por gerenciar o fluxo de elétrons durante o carregamento e a distribuição de energia. Agora, pesquisadores desenvolveram um material melhor para melhorar a conectividade, mantendo a reciclabilidade e baixo custo.

Eles publicaram seus resultados em 8 de fevereiro no Journal of Materials Chemistry A .

"O supercapacitor é muito poderoso, dispositivo com alta densidade de energia e taxa de carregamento rápida, em contraste com a bateria típica, mas podemos torná-la mais potente, mais rápido e com um ciclo de retenção realmente alto? "perguntou Jia Zhu, autor correspondente e aluno de doutorado conduzindo pesquisas no laboratório de Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professora de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia, Ciência e Mecânica da Penn State.

Zhu trabalhou sob a orientação de Cheng para explorar as conexões em um micro-supercapacitor, que eles usam em suas pesquisas em pequenas, sensores vestíveis para monitorar sinais vitais e muito mais. Óxido de cobalto, abundante, material barato que tem uma capacidade teoricamente alta de transferir cargas de energia rapidamente, normalmente compõe os eletrodos. Contudo, os materiais que se misturam com óxido de cobalto para fazer um eletrodo podem reagir mal, resultando em uma capacidade de energia muito menor do que teoricamente possível.

Os pesquisadores realizaram simulações de materiais de uma biblioteca atômica para ver se a adição de outro material, também chamado de dopagem, poderia amplificar as características desejadas do óxido de cobalto como um eletrodo, fornecendo elétrons extras e minimizando, ou removendo totalmente, os efeitos negativos. Eles modelaram várias espécies materiais e níveis para ver como eles interagiriam com o óxido de cobalto.

"Selecionamos possíveis materiais, mas descobrimos que muitos que poderiam funcionar eram muito caros ou tóxicos, então selecionamos estanho, "Zhu disse." O estanho está amplamente disponível a baixo custo, e não é prejudicial ao meio ambiente. "

Nas simulações, os pesquisadores descobriram que, substituindo parcialmente o estanho por parte do cobalto e ligando o material a um filme de grafeno disponível comercialmente - um material de um átomo de espessura que suporta materiais eletrônicos sem alterar suas propriedades - eles poderiam fabricar o que chamaram de baixo custo, eletrodo fácil de desenvolver.

Uma vez que as simulações foram concluídas, a equipe na China conduziu experimentos para ver se a simulação poderia ser atualizada.

"Os resultados experimentais verificaram um aumento significativo da condutividade da estrutura de óxido de cobalto após a substituição parcial por estanho, "Zhu disse." Espera-se que o dispositivo desenvolvido tenha aplicações práticas promissoras como dispositivo de armazenamento de energia de próxima geração. "

Próximo, Zhu e Cheng planejam usar sua própria versão de filme de grafeno - uma espuma porosa criada cortando parcialmente e quebrando o material com lasers - para fabricar um capacitor flexível para permitir uma condutividade fácil e rápida.

"O supercapacitor é um componente-chave, mas também estamos interessados ​​em nos combinar com outros mecanismos para servir tanto como coletor de energia quanto como sensor, "Cheng disse." Nosso objetivo é colocar várias funções em um simples, dispositivo com alimentação própria. "