Портативный суперконденсатор с высокой удельной энергией

Совместные усилия исследователей Сингапура, Китая и США привели к созданию так называемого волоконного суперконденсатора, который может быть встроен в элементы одежды для питания носимых на теле медицинских устройств, а также средств связи. Новый компонент настолько плотно заполнен взаимосвязанной сетью графеновых и углеродистых нанотрубок, что может накапливать количество энергии, типичное для тонкоплёночных литиевых батарей. Исследователи полагают, что уровень объёмной удельной энергии нового устройства (6.3 мкВт*ч/куб.мм) превышает показатели существующих суперконденсаторов на базе углеродистых трубок.

Помимо этого, новый суперконденсатор заряжается намного быстрее традиционных аккумуляторов. Гибридные материалы с волоконной структурой имеют высокую проводимость и обеспечивают требуемую площадь поверхности. Исследователи нашли способ производства гибких волокон с возможностью масштабирования под различное использование. На сегодняшний день возможно производство волокон длиной 50 м, однако верхний предел не ограничен.

Предполагается встраивание волоконных суперконденсаторов в элементы одежды для питания медицинских устройств в рамках домашнего использования и средств связи, например, у солдатов во время боевых действий. Волокно также может использоваться для питания медицинских имплантантов.

Юань Чен, профессор по химическим технологиям в Национальном Тайваньском Университете, возглавлял исследования, проводимые совместно с другими специалистами. Учёные опубликовали отчёты по исследованию в издании Nature Nanotechnology.

Соавтор исследования, профессор по макромолекулярным технологиям, Даи Лимин, объяснил, что большинство суперконденсаторов имеют высокую удельную мощность, но малую удельную энергию. Это означает возможность быстрой зарядки и отдачи большой мощности, но в течение короткого промежутка времени. В отличие от них, традиционные аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, но низкую удельную мощность, что означает длительный срок автономной работы, но при медленной отдаче большого объёма энергии.

По массе суперконденсаторы имеют сравнимую с аккумуляторами удельную энергию. Но по объёму суперконденсаторы проигрывают, поскольку требуется большая доступная площадь поверхности для хранения энергии.

Волокно для суперконденсаторов производится из кислотно-окисленных одностенных нанотрубок, оксида графена и этилендиамина, способствующего синтезу и насыщению графена азотом, который подается через узкую и гибкую армированную трубку, называемую капиллярной колонкой, и нагревается в печи в течение 6 часов.

Слои графена с толщиной от одного до нескольких атомов и выровненные одностенные углеродистые нанотрубки собираются во взаимосвязанную пористую сеть по всей длине волокна. Такая сборка обеспечивает огромной рабочей площадью для хранения и переноса зарядов – 396 кв.мм. на грамм гибридного волокна.

Материал суперконденсатора плотно упакован в капиллярные колонки с высокой удельной энергией в единице объёма. Процесс использования множества капиллярных колонок позволяет инженерам достичь большой длины волокон с неизменными свойствами.

Исследователи смогли создать волокна длиной 50 м при сохранности гибких свойств и ёмкости порядка 300 фарад на кубический сантиметр. Испытания показали, что три пары волокон, собранных в серию, утраивают напряжение при неизменном времени зарядки/разрядки.

Три пары волокон, соединённых параллельно, утраивают выходной ток и время зарядки/разрядки по сравнению с единственным волокном и той же плотности тока. Когда исследователи совмещали между двумя электродами множество пар волокон, ёмкость росла линейно их числу.

Использование пары волокон и поливинилспиртового(фосфорного) геля в качестве электролита позволило создать твердотельный суперконденсатор с удельной ёмкостью 6.3 мкВт*ч/куб.мм, что сравнимо с характеристиками 4-В токноплёночных литиевых батарей с ёмкостью 500 мкА*ч.