Schwerpunkte

Penn State University

Zinn macht Superkondensatoren besser

26. März 2021, 14:40 Uhr   |  Ralf Higgelke

Zinn macht Superkondensatoren besser
© Jia Zhu, Penn State University

Forschende dotierten Kobaltoxid mit Zinn, um eine effizientere Elektrode für den Einsatz in Superkondensatoren zu schaffen. Diese mikroskopische Aufnahme zeigt das neue Material auf einem Graphen-Film.

Superkondensatoren haben gegenüber Batterien einige Vorteile, zum Beispiel ihre Schnell-Ladefähigkeit. Forschende der Penn State University haben nun Kobaltoxid mit Zinn dotiert, um eine effizientere Elektrode für den Einsatz in Superkondensatoren zu schaffen.

Ein nachhaltiger, leistungsfähiger Mikro-Superkondensator könnte in greifbare Nähe rücken. Zu verdanken ist dies einer internationalen Zusammenarbeit eines Forscherteams der Penn State und der University of Electronic Science and Technology of China.

Jia Zhu, eine der Autorinnen und Doktorandin am Labor von Huanyu »Larry« Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor im Department of Engineering Science and Mechanics der Penn State, studierte unter dessen Federführung die Elektroden in einem Mikro-Superkondensator genauer. Diesen setzt sie in ihrer Forschung an kleinen, tragbaren Sensoren zur Überwachung von Vitaldaten und anderem mehr ein.

Normalerweise bestehen die Elektroden aus Kobaltoxid, einem reichlich vorhandenen, kostengünstigen Material, das theoretisch eine hohe Kapazität hat, um schnell elektrische Ladung zu transportieren. Allerdings interagieren die Materialien, die mit dem Kobaltoxid zu einer Elektrode vermischt werden, schlecht. Die Folge ist, dass die Kapazität viel geringer ist als theoretisch möglich.

Daher simulierten die Forschenden verschiedene Materialien aus einer atomaren Bibliothek. Sie wollten herausfinden, ob durch eine gezielte Dotierung die gewünschten Eigenschaften des Kobaltoxids in der Elektrode verstärkt und gleichzeitig negative Auswirkungen minimiert oder vollständig eliminiert werden können.

Zinn ist preiswert und ungiftig

»Wir prüften viele mögliche Materialien, fanden aber, dass viele, die funktionieren könnten, zu teuer oder giftig waren. Deshalb wählten wir Zinn«, resümierte Zhu. »Zinn ist weithin verfügbar und kostengünstig, und es ist ungefährlich für die Umwelt.« So ersetzten sie einen Teil des Kobalts durch Zinn und befestigten das Material an einem handelsüblichen Graphen-Film.

Nachdem die Simulationen abgeschlossen waren, führte das Team in China Experimente durch, um zu sehen, ob die Simulation auch tatsächlich umgesetzt werden kann. »Die Versuchsergebnisse bestätigten, dass die Leitfähigkeit der Kobaltoxid-Struktur nach der teilweisen Substitution durch Zinn signifikant zunahm«, so Zhu. »Das verwendete Bauelement dürfte vielversprechende praktische Anwendungen als Energiespeicher der nächsten Generation haben.«

Als Nächstes planen Zhu und Cheng, eine eigene Version der Graphenfolie zu verwenden, einen porösen Schaum, der durch teilweises Schneiden und anschließendes Brechen des Materials mit Lasern erzeugt wird. Damit wollen sie einen flexiblen Kondensator herstellen, der einfach zu fertigen und hoch leitfähig ist.

»Der Superkondensator ist eine Schlüsselkomponente, aber wir sind auch daran interessiert, ihn mit anderen Mechanismen zu kombinieren, um sowohl als Energy Harvester als auch als Sensor zu dienen«, so Prof. Cheng. »Unser Ziel ist es, viele Funktionen in einem einfachen, selbstversorgten Bauteil unterzubringen.«

Originalpublikation

Yunjian Chen et al., Significantly improved conductivity of spinel Co3O4 porous nanowires partially substituted by Sn in tetrahedral sites for high-performance quasi-solid-state supercapacitors, Journal of Materials Chemistry A (2021). DOI: 10.1039/D0TA12095B

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

elektroniknet