Tin-elektroden verbeteren efficiëntie en duurzaamheid van supercondensatoren

Hoogcapaciteits-supercondensatoren die snel opladen, werden lang beperkt door de samenstelling van hun elektrodes – de verbindingen die de elektronenstroom tijdens laden en ontladen regelen. Onderzoekers hebben nu een beter materiaal ontwikkeld dat de connectiviteit verbetert, terwijl herbruikbaarheid en lage kosten behouden blijven.

Onderzoek naar micro-supercondensatoren

Het team onderzocht de verbindingen in een micro-supercondensator, die ze gebruiken in kleine, draagbare sensoren voor het monitoren van vitale functies. Kobaltoxide – een rijkelijk, goedkoop materiaal met een theoretisch hoge capaciteit voor snelle energietransfer – vormt meestal de basis van de elektrodes. De materialen die met kobaltoxide gemengd worden om een elektrode te vormen, kunnen echter slecht reageren, wat resulteert in een veel lagere energiecapaiteit dan theoretisch mogelijk.

Simulaties en doping met tin

De onderzoekers voerden simulaties uit met materialen uit een atomaire bibliotheek om te zien of het toevoegen van een ander materiaal – ook wel doping genoemd – de gewenste eigenschappen van kobaltoxide als elektrode kon versterken door extra elektronen te voorzien, terwijl de negatieve effecten geminimaliseerd of volledig weggewerkt werden. Ze modeleerden verschillende materialensoorten en concentraties om hun interactie met kobaltoxide te bestuderen. Veel mogelijke materialen bleken te duur of giftig, dus het team koos voor tin, dat wijd beschikbaar is tegen lage kosten en niet schadelijk voor het milieu.

Resultaten van simulaties en experimenten

In de simulaties vonden de onderzoekers dat door een deel van het kobalt te vervangen door tin en het materiaal te binden aan een commercieel beschikbare grafene-film – een enkel-atoom-dik materiaal dat elektronische materialen ondersteunt zonder hun eigenschappen te veranderen – een goedkope, gemakkelijk te ontwikkelen elektrode kon worden geproduceerd. Na voltooiing van de simulaties voerde het team experimenten uit om te verifiëren of de simulatie in de praktijk realiseerbaar was.

De experimentele resultaten bevestigden een aanzienlijk verhoogde geleiding van de kobaltoxide-structuur na partiële substitutie door tin. Het ontwikkelde apparaat heeft veelbelovende praktische toepassingen als energietopslag van de volgende generatie.

Toekomstige plannen

Vervolgens wil het team hun eigen versie van grafene-film gebruiken – een porieuze schuim gecreëerd door het materiaal deels te snijden en te breken met lasers – om een flexibele condensator te fabriceren die snelle en eenvoudige geleiding mogelijk maakt. De supercondensator is een sleutelcomponent. Het team is ook geïnteresseerd in combinatie met andere mechanismen om te fungeren als energievegster en sensor.