Российские физики улучшили работу "конденсаторов будущего"
Ученые из "Сколтеха", МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость так называемых суперконденсаторов, соединяющих в себе преимущества обычных аккумуляторов и конденсаторов и не имеющих их недостатков. Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.
"Мы использовали углеродные структуры с большой удельной поверхностью в качестве исходного материала и заменяли часть атомов углерода на азот, который приводит к увеличению электрохимической емкости. В результате этого емкость суперконденсаторов выросла шесть раз и они начали показывать отличную стабильность в циклах зарядки-разрядки", — заявил Станислав Евлашин, старший научный сотрудник "Сколтеха".
Все современные электронные гаджеты построены не только на базе полупроводниковых транзисторов, но и бесчисленного множества конденсаторов. В самом упрощенном виде, они представляют собой устройства, способные накапливать в себе электрический заряд и избирательно проводить ток.
Сегодня они используются не только для фильтрации и улучшения "качества" электрических сигналов, но и в качестве ключевого компонента ячеек памяти компьютеров и постоянных запоминающих устройств. Так называемые ионисторы или суперконденсаторы, обладающие рекордно высокой плотностью запасания энергии и скоростью разрядки и зарядки, в будущем могут стать основой электроэнергетики.
Подобные устройства состоят из трех компонентов – двух электродов и электролита, ионы внутри которого реагируют на появление напряжения на концах суперконденсатора. Они быстро выстраиваются особым образом внутри конденсатора или вступают в различные химические реакции с его электродами. В результате этого внутри него запасается энергия, которая высвобождается при необходимости почти неограниченное число раз.
Как правило, электроды в подобных "батарейках будущего" изготовлены не из металлов, а различных пористых материалов, в том числе активированного угля. Они обладают небольшой массой, большим объемом и площадью поверхности, что позволяет сделать суперконденсаторы максимально емкими и долговечными.
В последние годы ученые пытаются повысить их емкость, используя различные экзотические материалы, такие как графен или углеродные нанотрубки и наностенки, а также меняя химический состав электродов. К примеру, часть атомов углерода в электродах можно заменить на азот или другие элементы, обладающие высоким уровнем химической активности.
Как передает пресс-служба "Сколтеха", недавно российские химики заметили, что подобную операцию можно провести, если выращивать углеродные наностенки внутри плазмы, подготовленной из смеси метана, водорода и азота. Итоги этих опытов натолкнули их на мысль, что подобный материал можно использовать для изготовления ионисторов.
Руководствуясь этой идеей, ученые подготовили некоторое количество "азотных" наностенок, изучили их свойства и собрали прототип суперконденсатора на их базе, поместив подобные пленки в раствор серной кислоты. Как оказалось, обработка плазмой повысила емкость этих устройств примерно в 4,5-6 раз по сравнению с обычными ионисторами на базе этого материала, и при этом она повысила их долговечность.
Как предполагают ученые, аналогичным образом можно повысить емкость суперконденсаторов, изготовленных из других углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок и графена. Это позволит создавать чрезвычайно тонкие, гибкие и емкие "батарейки будущего", которые можно будет встраивать в одежду и носимую электронику и использовать для зарядки и питания различных цифровых гаджетов.