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
