Представьте электронные устройства, не нуждающиеся в массивных батареях и внешних источниках питания. Чтобы создать такие устройства, нужен материал, способный как запасать и отдавать энергию, так и выдерживать различные нагрузки. Тогда аккумулятором для ноутбука будет служить его корпус, а энергия, необходимая для работы электромобиля, будет храниться в его шасси.
Серая пластинка на фото — изготовленный в лаборатории наноматериалов и энергетических устройств университета Вандербильта прототип «конструкционного суперконденсатора». Его создатели — аспирант Эндрю Вестовер и доцент кафедры машиностроения Кэри Пинт.
«Это устройство демонстрирует, впервые, насколько мы знаем, возможность создания материала, стойкого к статическим и динамическим нагрузкам и способного при этом хранить и отдавать значительные объемы электроэнергии, — поясняет Пинт. — Эндрю сумел воплотить в реальность мечту о конструкционных материалах, способных запасать энергию».
Хранение энергии в конструкционных материалах изменит многое. «Когда вы можете хранить энергию в несущих элементах устройств, это открывает дверь в мир новых технологических возможностей. Медицинские приборы, игрушки, устройства связи не будут нуждаться в штепсельных вилках и внешних источниках питания,» — говорит Пинт.
Новое устройство, разработанное Пинтом и Вестовером является суперконденсатором (ионистором), сохраняющим электроэнергию методом переноса заряженных ионов с поверхности пористого материала, вместо того, чтобы хранить ее способом, применяемым в батареях, где источником энергии служит обратимая химическая реакция. Поэтому ионисторы способны зарядиться и разрядиться в течение минут, а не часов, и способны выдержать миллионы циклов заряд-разряд, чего не могут аккумуляторы.
В статье, опубликованной 19 мая в журнале Nano Letters, Пинт и Вестовер сообщают, что их новый конструкционный суперконденсатор работает безотказно, сохраняя и отдавая электрический заряд в условиях ударов или при давлении да 3 Кг/см2 и колебательных ускорениях, превышающих те, что действуют на лопасти турбин в реактивном двигателе.
Кроме того, механическая прочность устройства не мешает ему сохранять энергию. Таким образом, такой ионистор может выполнять роль несущей конструкции и будет способен «хранить больше энергии и работать с более высоким напряжением, чем любой из использующихся в настоящее время суперконденсаторов, даже в условиях воздействия интенсивных динамических и статических сил», — утверждает Пинт.
Одна из областей, где суперконденсаторы отстают от батарей — в их энергетической плотности. Ионисторы должны быть крупнее и тяжелее, чтобы сохранять такое же количество энергии, как литий-ионные аккумуляторы. Но эта разница становится не так важна, когда система аккумулирования энергии получает дополнительную функциональность.
Устройство, представленное учеными, состоит из кремниевых электродов, химически обработанных таким образом, что они получили наноразмерные поры на внутренней поверхности. Затем электроды были покрыты слоем графена. Зажатая между двумя электродами полимерная пленка, являющаяся источником заряженных ионов, играет роль электролита. Когда электроды прижимаются друг к другу, полимер просачивается в мельчайшие поры и затвердев, образует очень прочную структуру.
