Учёные построили тонкие конденсаторы с ёмкостью батарей

Опытные образцы накопителей продемонстрировали удельную ёмкость на уровне химических батарей при сохранении удельной мощности как у типичных суперконденсаторов и также высокой живучести.

Новаторы из калифорнийского университета в Лос-Анджелесе испытали оригинальный метод получения графеновых электродов для ионисторов и собственно сами суперконденсаторы, построенные по новой технологии.

Схема нового суперконденсатора. Пояснения в тексте (иллюстрация UCLA).

Не первый раз учёные пробуют использовать графен в роли электродов, поскольку потенциально он может обеспечить лучшие характеристики устройства, по сравнению с традиционным активированным углём. Однако, затруднения вызывала подготовка графена и создание электродов с нужной структурой поверхности.

Американцы подошли к решению этой проблемы с неожиданной стороны. Слой оксида графена они нанесли на диск DVD. Далее этот диск поместили в стандартный оптический привод, поддерживающий технологию гравировки рисунков LightScribe. Далее компьютер дал приводу команду нанести на диск рисунок с микроскопическими деталями.

Под действием инфракрасного лазера оксид графена восстанавливался и отслаивался тонкими пластами, формируя графеновую сетку, состоящую всего из нескольких углеродных слоёв. Такой ажурный материал авторы работы назвали «гравированный лазером графен» (Laser Scribed Graphene — LSG).

К двум одинаковым электродам из LSG исследователи добавили сепаратор-электролит и получили суперконденсаторы с выдающимися данными.

«Наше исследование показывает, что новый суперконденсатор на основе графена хранит столько заряда, сколько обычные батареи, но при этом его можно заряжать и разряжать в сотни и тысячи раз быстрее», — заявил один из создателей LSG профессор Ричард Канер (Richard B. Kaner).

В новых электродах пути ионов электролита намного короче, чем в активированном угле, а это является одной из предпосылок для высокой пиковой мощности устройства и быстрой зарядки.

Кроме того, тесты показали, что LSG обладает весьма большой удельной поверхностью – 1520 м²/г, а ещё — существенно большей, чем у активированного угля, проводимостью (1738 сименс на метр против 10-100 См/м).

Последнее свойство, наряду с хорошей механической прочностью LSG, позволило отказаться в конструкции конденсатора от дополнительных связующих и токоприёмников. LSG в новых устройствах работает и как активный материал, и как коллектор тока.

Вдобавок, учёные подобрали для своих конденсаторов загущенный полимерный электролит-гель, который заодно выступил в роли клея, скрепляющего слои накопителя вместе и даже в качестве сепаратора. Всё это заметно упростило прибор.

Эксперименты с новыми накопителями показали, что они почти не теряют своих выдающихся электрических параметров под механической нагрузкой и что система стабильно ведёт себя при большом числе циклов. Потому американцы считают свою опытную разработку предшественницей ультратонких и гибких систем хранения энергии для портативной электроники.