Структурные суперконденсаторы заменят аккумуляторные батареи

Можно ли представить себе будущее, в котором электроника будет избавлена от батарей, шнуров, розеток, вилок и вообще от любых внешних источников питания? Сегодня такая перспектива кажется невероятной для обывателей, но учёные рассматривают её вполне серьёзно.

Хранение электрической энергии в корпусе ноутбука, шасси электромобиля или в стенах дома сделает возможным маленькая невзрачная серая пластинка, разработанная исследователями Лаборатории наноматериалов и энергетических устройств (Nanomaterials and Energy Devices Laboratory) Университета Вандербильта.

«Это устройство демонстрирует, впервые, насколько мы это можем утверждать, что можно создавать материалы, способные хранить и отдавать значительное количество электроэнергии, во время того, как они подвергаются воздействию обычных статических нагрузок и динамических усилий, таких как вибрация или удары», - рассказывает Кэри Пинт (Cary Pint), доцент кафедры механики.

Новое устройство, разработанное аспирантом Эндрю Вестовером (Andrew Westover) и Пинтом представляет собой суперконденсатор, который запасает энергию, собирая обладающие зарядом ионы с поверхности пористого материала, в отличие от аккумуляторов, использующих для этого химические реакции. В результате суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться в считанные секунды, а не часы, и сохранять работоспособность миллионы зарядно - разрядных циклов, а не тысячи, как батареи.

В отчёте о своей работе, опубликованном 19 мая 2014 года в журнале Nano Letters, Пинт и Вестовер пишут, что их новый структурный (несущий нагрузку) суперконденсатор работает безупречно, запасая и отдавая заряд при воздействии давления до 44 фунтов силы на квадратный дюйм (0,303 МПа), и колебательных ускорений более 80 g, что значительно больше, чем испытывают лопатки турбины двигателя реактивного самолёта. Механическая прочность не влияет на его способность запасать и хранить энергию.

Новый суперконденсатор выглядит как тонкая серая пластинка, выполненная из кремниевых электродов, которые были химически обработаны таким образом, чтобы внутри них образовались наноразмерные поры. Снаружи электроды защищает ультратонкий слой углерода. Между электродами размещена полимерная плёнка, удерживающая заряженные ионы и играющая ту же роль, что электролит в батарее. При сжатии полимер проникает в крошечные поры электродов, словно расплавленный сыр в плотно прижатые хлебцы сэндвича.

После охлаждения и отвердения полимер становится чрезвычайно прочным. Самой большой проблемой при разработке несущих суперконденсаторов Вестовер называет предотвращение их расслоения. Но исследователи смогли с ней справиться. «Соединение нанопористого материала полимерным электролитом связывает сильнее, чем суперклей», - говорит аспирант.

Суперконденсаторы существенно отстают от литий - ионных батарей в удельной ёмкости. Для того, чтобы оперировать одним и тем же количеством энергии, конденсатор должен быть значительно больше и тяжелее аккумуляторной батареи. Но в то время, как суперконденсатор запасает в десять раз меньше энергии, он сохраняет работоспособность в тысячу раз дольше.

По мнению исследователей, благодаря своим свойствам кремниевые структурные суперконденсаторы идеально подходят для использования в корпусах бытовой электроники и в солнечных батареях. Однако, Пинт и Вестовер уверены, что общие принципы их построения могут быть перенесены на другие материалы, такие как углеродные нанотрубки или алюминий.