Появление суперконденсаторов, которые совмещают лучшие характеристики конденсаторов и высокую энергетическую плотность батарей, стало заметным прогрессом в развитии технологии аккумуляции электроэнергии.
Электрохимические конденсаторы, или т.н. суперконденсаторы, отличаются от стандартных конденсаторов способностью накапливать существенно больший заряд. Электрохимические конденсаторы заряжаются и разряжаются быстрее, чем батареи, но обладают намного меньшей плотностью энергии.
Электроды суперконденсаторов обладают не только высокой проводимостью, но и большей доступной площадью поверхности, чем стандартные электрохимические конденсаторы с электродами из активированного угля.
 |
Структура суперконденсатора с электродами, изготовленными путем обработки графена лазером. Слева направо: обработанный лазером графен; сепаратор и электролит; пластик. Рисунок: University of California, Los Angeles
Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса (University of California, Los Angeles – UCLA) воспользовались стандартной технологией LightScribe, позволяющей формировать изображение на обратной поверхности специально подготовленных компакт-дисков, для создания таких электродов. Эти электроды состоят из графена – модификации углерода толщиной в один атом. Графен, как известно, характеризуется превосходными механическими и электрическими свойствами, а также исключительно большой площадью поверхности.
Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса и Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute) продемонстрировали высокопроизводительные электрохимические конденсаторы на основе графена, которые сохраняют превосходные электрохимические параметры при больших механических нагрузках. Статья на эту тему опубликована в журнале Science.
Технология изготовления графеновых электродов основана на покрытии DVD-диска пленкой из оксида графита, которая затем обрабатывается лазером в оптическом приводе, поддерживающем технологию гравировки изображений LightScribe. Под управлением компьютера DVD-привод наносит на диск рисунок с микроскопическими деталями. Под действием инфракрасного лазера оксид графита восстанавливается и отслаивается тонкими пластами, образуя открытую графеновую сетку из нескольких углеродных слоев с существенно большей площадью поверхности.
Полученный материал авторы исследования назвали «графеном, гравированным лазером» (Laser Scribed Graphene, LSG). Открытая сетчатая структура электродов, полученных на основе такой графеновой структуры, позволяет минимизировать диффузионный путь ионов электролита, что является определяющим фактором для зарядки устройства. Следует заметить, что большая часть площади поверхности активированного угля приходится на очень малые поры, которые ограничивают диффузию ионов. Суперконденсаторы на основе LSG-электродов обладают большей способностью передавать накопленную мощность за короткие промежутки времени, чем не могут похвастаться электроды из активированного угля.
Обычно производительность накопителя энергии определяется с помощью двух основных показателей – плотности энергии и плотности мощности. При использовании этого устройства для питания электромобиля показатель плотности энергии характеризует дальность расстояния, на которое он может уехать без подзарядки, а плотность мощности определяет скорость перемещения электромобиля.
Устройства, изготовленные с использованием гравированных лазером графеновых электродов, характеризуются очень высокой плотностью энергии в разных электролитах, высокой плотностью мощности и поцикловой стабильностью. Более того, эти суперконденсаторы сохраняют отличные электрохимические свойства при больших механических нагрузках, благодаря чему их можно будет применять в мощных и гибких электронных устройствах.
Проводимость новых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10–100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприемников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.
В созданном прототипе суперконденсатора исследователи также заменили жидкий электролит материалом на основе полимерного геля. Он служит сепаратором, позволяя уменьшить толщину и массу устройства, а также упростить его изготовление за счет исключения необходимости в специальных упаковочных материалах.
Источник: ScienceDaily
Читайте также:
Инновационная экономика в России — что делать?
Ионисторы или конденсаторы с двойным электрическим слоем производства Panasonic