Оловянные электроды повышают эффективность и устойчивость суперконденсаторов

Высокоемкие, быстро заряжающиеся суперконденсаторы долгое время ограничивались составом своих электродов — соединений, отвечающих за управление потоком электронов при заряде и разряде. Исследователям удалось разработать улучшенный материал, который оптимизирует проводимость, сохраняя при этом перерабатываемость и низкую стоимость.

Проблема кобальт-оксидных электродов

Команда изучала электроды в микросверхконденсаторах, используемых в миниатюрных носимых датчиках для мониторинга жизненно важных показателей. Оксид кобальта — доступный и недорогий материал с теоретически высокой способностью к быстрому передаче заряда — обычно служит основой электродов. Однако примеси, добавляемые к оксиду кобальта для формирования электрода, часто вступают в нежелательные реакции, что снижает реальную энергоемкость далеко ниже теоретического максимума.

Поиск оптимального легирующего добавки

Исследователи провели моделирование материалов из атомной библиотеки, чтобы выяснить, может ли внесение дополнительного элемента (легирование) усилить желательные свойства оксида кобальта за счет предоставления дополнительных электронов, минимизируя негативные эффекты. Были смоделированы различные материалы и их концентрации. Многие кандидаты оказались слишком дорогими или токсичными, поэтому выбор пал на олово — широко доступный, дешевый и экологически безопасный элемент.

Результаты моделирования и экспериментальная проверка

Моделирование показало, что частичная замена кобальта на олово и связывание материала с коммерчески доступной графеновой пленкой — однослойным материалом, поддерживающим электронные компоненты без изменения их свойств — позволяет создать дешевый и легко воспроизводимый электрод. После завершения симуляций команда провела эксперименты для подтверждения теоретических прогнозов.

Экспериментальные данные подтвердили значительное увеличение проводимости структуры оксида кобальта после частичной субституции оловом. Разработанное устройство демонстрирует перспективные характеристики для применения в качестве накопителей энергии следующего поколения.

Дальнейшие планы

Далее команда планирует использовать собственную версию графеновой пленки — пористую пену, созданную лазерной нарезкой и разрушением материала — для изготовления гибкого конденсатора, обеспечивающего быструю и легкую проводимость. Суперконденсатор является ключевым компонентом. Также исследуется возможность интеграции с другими механизмами для создания гибридных систем: сборщиков энергии и датчиков.