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