Ученые обнаружили метод, позволяющий преобразовать обычный графит — материал, который широко используется в карандашах и встречается повсеместно — в основу для устройств хранения энергии нового поколения.
Речь идет о суперконденсаторах — устройствах, которые, в отличие от стандартных аккумуляторов, накапливают энергию не в химических связях, а в виде разделенного электрического заряда на поверхности электродов. Это позволяет им накапливать больше энергии в меньших объемах и отдавать ее гораздо быстрее, чем традиционные батареи. Однако ранее суперконденсаторы имели серьезные ограничения: лишь часть потенциальной емкости материалов, из которых они изготовлены, могла быть использована на практике.
Проблема заключалась в физических характеристиках графена — одного из наиболее перспективных материалов для электродов. Несмотря на то, что графен позволяет создавать очень плотные электроды, простое наслаивание его слоев оказывается неэффективным: они слишком плотно слипаются и не оставляют достаточного пространства для ионов, которые должны свободно перемещаться для накопления и отдачи энергии. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые ранее создавали объемные пористые структуры, похожие на губку, — они обеспечивали большую площадь поверхности и пути для движения ионов, но оказывались громоздкими.
Специалисты австралийского Университета Монаша нашли другое решение этой задачи. Они разработали двухступенчатый процесс нагрева, в результате которого получается новый материал — многомасштабный восстановленный оксид графена. Он представляет собой запутанную сеть изогнутых графеновых структур с несколькими уровнями организации. Такая архитектура сохраняет огромную площадь поверхности для хранения заряда, обеспечивая при этом быстрое перемещение ионов.
Ученые интегрировали новый материал в так называемые пакетные ячейки — тонкие гибкие аккумуляторы в мягкой оболочке, которые используются в электромобилях, дронах, смартфонах, ноутбуках и носимой электронике. В результате были получены устройства с рекордными характеристиками плотности энергии и мощности.
«Это открытие может дать возможность создавать быстро заряжающиеся суперконденсаторы, которые накапливают и отдают энергию значительно быстрее, чем существующие батареи», — отметил профессор механической и аэрокосмической инженерии Майнак Маджумдер.
Практические перспективы технологии обширны: графеновые суперконденсаторы могут стать основой для более емких и компактных источников питания с сокращенным временем зарядки, что позволит реализовать технологии будущего.
Фото: hi-tech.mail.ru