Ученые придумали новый эластичный суперконденсатор, основанный целиком на нанотрубках — Naked Science
25.12.2017
9 минут
Сколтех
105

Ученые придумали новый эластичный суперконденсатор, основанный целиком на нанотрубках

Предложен новый метод изготовления уникальных суперконденсаторов, основанных на электродах из однослойных углеродных нанотрубок и сепараторе из бор-нитридных нанотрубок.

Нанотрубки
Нанотрубки / ©riasv.ru

Разработку представили ученые из Сколковского института науки и технологий (Россия) и Университета Аалто (Финляндия). Подобные конденсаторы могут использоваться в современной портативной электронике.

В настоящее время исследования в области гибких и эластичных суперконденсаторов сосредоточены на изготовлении подходящих для этих целей электродов, поскольку они больше всего влияют на производительность устройства. Однако помимо этого сепарирующий слой для таких суперконденсаторов по-прежнему остается относительно неизведанным элементом.

Помимо того, что сепараторные материалы для эластичных суперконденсаторов должны быть пористыми и химически стабильными диэлектриками, они должны выдерживать многочисленные тесты на изгиб и растяжение без появления серьезных структурных повреждений, чтобы их можно было использовать в носимой и портативной электронике.

Материалами, отвечающими вышеупомянутым требованиям, являются полимеры и электролиты на основе полимеров. Однако, несмотря на их дешевизну и нетоксичность, такие материалы демонстрируют плохое смачивание водными электролитами и имеют слабую механическую прочность. Кроме того, их толщина для суперконденсаторов достаточно велика (0,2 мм), что приводит к высоким внутренним сопротивлениям устройств на их основе.

Именно нанотрубки из нитрида бора (БННТ), которые использовались в данной работе, представляют собой диэлектрический наноматериал с уникальными прочностными и эластичными свойствами и, таким образом, считается идеальным для эластичных сепараторов. Другим ключевым компонентом суперконденсатора, как было упомянуто ранее, являются электроды, которые должны быть высоко проводящими и механически стабильными.

В данном проекте исследователи использовали пленки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), поскольку такой материал имеет уникальную пористую структуру, высокую удельную площадь поверхности, низкое удельное электросопротивление и высокую химическую стабильность наряду с высокими прочностными показателями.

Сепаратор из БННТ толщиной всего 500 нанометров обеспечивает надежную защиту от короткого замыкания и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) эластичного суперконденсатора. Устройство, изготовленное в конфигурации тестовой ячейки для характеризации материалов, входящих в него, сохраняет 96% от его начальной емкости после 20 тыс. циклов зарядки/разрядки при очень низком эквивалентном последовательном сопротивлении 4,6 Ом.

Эластичный прототип суперконденсатора выдерживает по меньшей мере 1000 циклов деформации на 50% растяжения от начальной длины при небольшом увеличении объемной емкости и объемной плотности мощности после растяжения. Кроме того, в сравнении с имеющимися устройствами такого типа, данный эластичный прототип имеет низкое сопротивление, равное 250 Ом.

«В этой работе мы выбрали пленки ОУНТ и БННТ в качестве электродов и сепаратора эластичного суперконденсатора соответственно, которые легко используются вместе благодаря их структуре, усиливающей связь на интерфейсе двух материалов и позволяющей тестировать и характеризовать устройство в целом при механическом растяжении.

Мы успешно решили проблему снижения толщины и сопротивления сепараторного слоя, сохраняя эластичные свойства устройства», — говорит первый автор статьи, опубликованной в журнале семьи Nature, Scientific Reports, аспирант Сколковского института науки и технологий Евгения Гильштейн.

«Технология изготовления таких суперконденсаторов очень проста, поскольку она основана на методах сухого осаждения и аэрографии. Благодаря своей стабильной работе устройство является перспективным для носимой электроники и гибких систем хранения энергии», — говорит профессор Сколковского института науки и технологий Альберт Насибулин.

Изображение сепаратора из БННТ, нанесенного на электрод из пленки ОУНТ, полученное сканирующим электронным микроскопом, (Б) спектры импеданса эластичного суперконденсатора (синим) после 1000 циклов растяжения на 25% удлинения (черным), 50% удлинения (красным); (В) циклические вольтамперометрические спектры изготовленного эластичного суперконденсатора (синим), растянутого на 25% (черным) и 50% (красным) после 1000 циклов растяжения

Надо сказать, что ученые уже работали над этим проектом в прошлом году. Однако в предыдущей работе сепаратора не было (точнее, сам электролит выступал в роли сепаратора), что приводило к деградации характеристик прибора, псевдоемкостным свойствам, а также большому эквивалентному сопротивлению устройства.

В данном проекте ученые оптимизировали структуру прототипа суперконденсатора: он по-прежнему эластичный, но теперь для предотвращения короткого замыкания при растяжении устройства был разработан сепаратор (пористый тонкий изолирующий слой), который состоял также из нанотрубок. 

Дополнительную информацию можно прочитать по ссылке.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколтех
76 статей
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Позавчера, 14:57
3 минуты
Денис Гордеев

Вирус, который уже унес жизни 41 человека, породил новую волну популярности к игре 2012 года.

Вчера, 14:48
25 минут
Александр Березин

Земная атмосфера 2,7 миллиарда лет назад состояла в основном из углекислого газа — и было его там до тысячи раз больше, чем сегодня. При этом азота почти не было, хотя сегодня его в воздухе 78%. Выходит, наша газовая оболочка по составу была близка к марсианской. Как ни странно, эти дела давно минувших дней актуальны для ответа на вопрос о будущем выживании человечества. Похоже, предсказание Стивена Хокинга о гибели всего живого из-за превращения Земли в Венеру не сбудется. Разбираемся, почему так и как одно связано с другим.

Позавчера, 16:16
5 минут
Илья Ведмеденко

Российские специалисты восстановили транспортное средство «Ладога», построенное на базе танка Т-80 и предназначавшееся на случай ядерной войны.

Позавчера, 14:57
3 минуты
Денис Гордеев

Вирус, который уже унес жизни 41 человека, породил новую волну популярности к игре 2012 года.

24 января
35 минут
Александр Березин

Новый коронавирус — «родственник» старой атипичной пневмонии — уже привел к смерти 26 человек. Считается, что им может быть заражено несколько тысяч. И точно известно, что эпидемия вышла за пределы Китая. Но это не повод впадать в панику. Мы собрали всю известную информацию и попробовали ответить на главные вопросы о новой болезни.

23 января
8 минут
Мария Азарова

Специалисты подтвердили, что очагом возникновения инфекции стал оптовый рынок в городе Ухань, где продавали не только морепродукты, но и животных, в том числе змей и летучих мышей. Именно они могли быть источниками опасного коронавируса.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

Позавчера, 14:57
3 минуты
Денис Гордеев

Вирус, который уже унес жизни 41 человека, породил новую волну популярности к игре 2012 года.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: