Ученые разработали гибкий суперконденсатор на основе бумаги

С пoмoщью мeтoдa пoслoйнoгo oсaждeния зoлoтыx и oксидныx нaнoчaстиц нa цeллюлoзныe вoлoкнa бумaги мoжнo пoлучить гибкий мaтeриaл, кoтoрый мoжeт быть испoльзoвaн в   кaчeствe электрода для суперконденсатора. Группа ученых из Кореи и США показала, что такой   материал будет обладать более высокими значениями удельной мощности и   плотности энергии по   сравнению с   аналогами и   перспективен для использования в   гибкой электронике. Результаты исследования опубликованы в   Nature Communications.

Суперконденсаторы (или ионисторы)   — устройства, подобные конденсаторам, в   которых в   роли обкладок выступает двойной электрический слой. Для таких устройств характерна очень большая площадь заряженной поверхности, что сильно увеличивает и   их   емкость. Поэтому, в   отличие от   обычных конденсаторов, суперконденсаторы могут использоваться не   только как преобразующий элемент в   электрических цепях, но   и   в   качестве источников напряжения. Сейчас суперконденсаторы   — один из   двух основных источников энергии в   бытовой технике наряду с   литий-ионными аккумуляторами. Если литий-ионные аккумуляторы выигрывают по   плотности энергии, то   суперконденсаторы предпочтительнее в   качестве материала с   высокой удельной мощностью.

В   своей работе международный коллектив химиков из   Кореи и   США предложил новый метод получения гибких суперконденсаторов на   основе обычной целлюлозной бумаги, которые смогут использоваться, например, в   носимых электронных устройствах. Для того, чтобы решить проблемы маленькой емкости и   высокого внутреннего сопротивления таких материалов, ученые предложили использовать многослойные структуры с   чередующимися проводящими и   диэлектрическими слоями.

Yongmin Ko et al./ Nature Communications, 2107

С   помощью послойного осаждения на   каждое целлюлозное волокно поочередно наносились слои проводящих и   диэлектрических наночастиц диаметром около 10   нанометров. В   качестве проводящего материала были использованы наночастицы золота, а   в   качестве диэлектрика   — наночастицы оксидов железа и   марганца. Между каждым из   слоев наночастиц добавлялся дополнительный слой поверхностно-активного вещества. Для увеличения плотности контакта между наночастицами из   разных слоев, в   качестве поверхностно-активного вещества была выбрана довольно небольшая молекула трис-(2-аминоэтил)амина.

Схема послойной самосборки золотых частиц на бумаге с образованием проводящего электродного материала для суперконденсатора. Yongmin Ko et al./ Nature Communications,   2107

Анализ проводящих свойств полученной металлизированной бумаги показал, что увеличение количества слоев приводит к   линейному увеличению проводимости, и   для 16   двойных слоев диэлектрик/проводник на каждой целлюлозной нити в бумаге толщиной 140   микрон достигает 230   сименсов на   сантиметр. Устойчивость образовавшегося слоя химики проверили с   помощью тестов на   изгиб. Оказалось, что даже после 10   тысяч циклов сгибания-разгибания проводимость не   падает.

Данные о поверхностной и удельной мощности и плотности энергии по сравнению с известными аналогами. Yongmin Ko et al./ Nature Communications,   2107

Из   нескольких полученных таким образом электродов химики собрали гибкий гибридный суперконденсатор, в   котором лист с   диэлектрическими слоями из   оксида марганца выполнял роль положительного электрода, а   лист с   диэлектрическими слоями из   оксида железа   — роль отрицательного элетрода. Максимальная поверхностная мощность такого устройства составила 15   милливольт на   квадратный сантиметр, а   максимальная плотность энергии   — около 270   микроватт-часов на   квадратный сантиметр. При этом за   5   тысяч циклов перезарядки с   плотностью тока в   20   миллиампер на   квадратный сантиметр такой суперконденсатор сохранял 90   процентов своей емкости.

По   словам ученых, такой материал весьма перспективен, например, для питания носимой электроники. В качестве элементов питания носимых электронных устройств предлагали и другие источники, в частности, браслеты, которые генерируют энергию за счет механических движений руки. А само такое устройство   можно, например, напечатать   на 3D-принтере.

Александр Дубов

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.