突破意味着可持续，强大的微型超级电容器即将出现

研究人员用锡掺杂了氧化钴，以创建一种用于超级电容器的更高效的电极。该显微图像显示了石墨烯薄膜上的新材料。

得益于宾州州立大学和中国电子科技大学的研究人员的国际合作，可持续的，功能强大的微型超级电容器可能即将出现。到目前为止，高容量，快速充电的能量存储设备一直受到其电极组成的限制，这些电极负责在充电和分配能量期间管理电子流。现在，研究人员已经开发出一种更好的材料来改善连接性，同时保持可回收性和低成本。

他们于2021年2月8日在《材料化学杂志》 A上发表了他们的研究结果。

“与典型的电池相比，超级电容器是一种功能非常强大的能量密集型设备，具有快速的充电速率，但是我们能使其变得更强大，更快速并且具有很高的保留周期吗？”在宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的环宇“职业生涯发展教授”程焕宇（Chengyuyu Cheng）实验室进行研究的通讯作者和博士生贾朱问道。

在Cheng的指导下，Zhu致力于探索微型超级电容器的连接，并将其用于小型可穿戴传感器的研究中，以监测生命体征等。氧化钴是一种丰富，廉价的材料，在理论上具有快速转移能量电荷的高容量，通常构成电极。但是，与氧化钴混合制成电极的材料可能反应不良，从而导致能量容量比理论上低得多。

研究人员对原子库中的材料进行了仿真，以了解添加另一种材料（也称为掺杂）是否可以通过提供额外的电子，同时最大程度地减少或完全消除负面影响来放大氧化钴作为电极的所需特性。他们对各种物质种类和含量进行了建模，以了解它们如何与氧化钴相互作用。

“我们筛选了可能的材料，但发现许多可能有用的材料过于昂贵或有毒，因此我们选择了锡，”朱说。“锡以低廉的价格被广泛使用，并且对环境无害。”

在模拟中，研究人员发现，通过用部分钴代替锡并将该材料结合到可商购的石墨烯薄膜上，这种石墨烯薄膜是一种单原子厚的材料，可在不改变其电子性能的情况下支撑电子材料，因此他们可以制造出所谓的低成本，易于开发的电极。

模拟完成后，中国团队进行实验，看能否实现模拟。

朱说：“实验结果证实，在被锡部分取代后，氧化钴结构的电导率显着提高。”“开发的设备有望作为下一代储能设备具有广阔的实际应用。”

接下来，Zhu和Cheng计划使用他们自己的版本的石墨烯薄膜（一种通过部分切割然后用激光将其破坏的多孔泡沫制成）来制造柔性电容器，以实现简单，快速的导电性。

Cheng说：“超级电容器是一个关键组成部分，但我们也有兴趣与其他机制结合起来，既可以用作能量收集器，也可以用作传感器。”“我们的目标是将许多功能集成到一个简单的自供电设备中。”

参考：陈云健，朱佳，王妮，王焕宇，成贤忠，Sridhar Komarneni和胡文成，“在四面体位置上被Sn部分取代的尖晶石Co3O4多孔纳米线的电导率显着提高，从而成为高性能准固态超级电容器”，8 2021年2月，材料化学杂志A.DOI：
10.1039 / D0TA12095B

该论文的合著者包括中国电子科技大学材料与能源学院附属的陈云健，王妮，唐贤中和胡文成。宾州州立大学材料研究所（MRI）和生态系统科学与管理系的Sridhar Komarneni。Wang也隶属于MRI。

国家自然科学基金支持这项工作。