Команда ученых из Центра Нанотехнологий Университета Центральной Флориды (UCF) разработала новый метод создания гибких суперконденсаторов. Они накапливают больше энергии и без ущерба выдерживают более 30 тысячи циклов зарядки. Новый метод создания наноконденсаторов может стать революционной технологией в производстве и смартфонов, и электромобилей.
Создатели уверены: если заменить привычные аккумуляторы новыми наноконденсаторами, то любой смартфон полностью зарядится за несколько секунд. Владелец может не думать каждые несколько часов о том, где бы ему зарядить смартфон: устройство не будет разряжаться в течение недели.
Каждый владелец смартфона сталкивается с пока неразрешимой проблемой: примерно через 18 месяцев после покупки среднестатистический аккумулятор держит заряд все меньше и меньше времени, а затем окончательно деградирует. Чтобы решить ее, ученые исследуют возможности наноматериалов для улучшения суперконденсаторов. В перспективе они могут поддержать или даже заменить батарейки в электронных устройствах. Добиться этого достаточно сложно: чтобы ионистор проводил столько же энергии, как литий-ионный аккумулятор, он должен значительно превосходить привычную батарейку в размерах.
Команда из UCF экспериментировала с использованием недавно обнаруженных двумерных материалов толщиной в несколько атомов – тонких пленок дихалькогенидов переходных металлов (TMDs). Другие ученые пытались работать с графеном и другими двумерными материалами, но нельзя сказать, что эти попытки оказались достаточно успешными.
Двумерные дихалькогениды переходных материалов – перспективный материал для емкостных суперконденсаторов, благодаря их слоистой структуре и большой площади поверхности. Предыдущие опыты интеграции TMDs с другими наноматериалами улучшили электрохимические характеристики первых. Однако такие гибриды не выдерживали достаточное количество циклов перезарядки. Это было связано с нарушением структурной целостности материалов в местах соединения друг с другом и хаотичной сборкой.
Все ученые, которые так или иначе пробовали усовершенствовать существующие технологии, задавались вопросом: «Как объединить двумерные материалы с существующими системами?». Тогда команда из UCF разработала простой подход химического синтеза, с помощью которого можно успешно интегрировать существующие материалы с двумерными дихалькогенидами металлов. Об этом заявил ведущий автор исследования Эрик Юнг.
Команда Юнга разработала суперконденсаторы, состоящие из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой дихалькогенидов переходных металлов. Ядро с высокой электропроводностью обеспечивает быстрый перенос электрона для быстрой зарядки и разрядки. Равномерная оболочка из двумерных материалов отличается высокой энергоемкостью и удельной мощностью.
Ученые уверены, что двумерные материалы открывают широкие перспективы для элементов аккумулирования энергии. Но до тех пор, пока исследователи из UCF не придумали способ объединить материалы, не было возможности реализовать этот потенциал. «Наши материалы, разработанные для небольших электронных устройств, превзошли привычные технологии во всем мире с точки зрения плотности энергии, удельной мощности и циклической стабильности» – отметил доктор наук Нитин Чудхари, проводивший ряд исследований.
Циклическая стабильность определяет, сколько раз аккумулятор можно зарядить, разрядить и перезарядить прежде, чем он начнет деградировать. Современные литий-ионные батареи можно заряжать около 1,5 тысяч раз без серьезных сбоев. Недавно разработанный прототип суперконденсатора выдерживает несколько тысяч таких циклов. Ионистор с двумерной оболочкой не деградировал даже после того, как его перезарядили 30 тысяч раз. Сейчас Юнг и его команда работает над тем, чтобы запатентовать новый метод.
Наноконденсаторы можно использовать в смартфонах, электромобилях, а по сути – в любых электронных устройствах. Они могли бы помочь производителям извлечь выгоду из резких перепадов мощности и скорости. Поскольку ионисторы достаточно гибкие, они подойдут и для носимой электроники и технологий.
Несмотря на все преимущества нового суперконденсатора, разработка еще не готова к коммерциализации. Тем не менее, это исследование может стать еще одним серьезным толчком для развития высоких технологий.
Научная работа опубликована в журнале ACS Nano 12 октября 2016 года
DOI: 10.1021 / acsnano.6b06111
Автор: krasandm
