Медь прекрасно проводит электрический ток, однако не выдерживает агрессивной среды суперконденсаторов. Ученые защитили электрод, нанеся никелевое покрытие толщиной всего 6 нанометров.
Медь — превосходный проводник электричества, но, как выяснили исследователи, она слишком подвержена разрушению в суперконденсаторах. В щелочном электролите она окисляется и разрушается, что приводит к потере способности электрода накапливать энергию. Российские ученые нашли способ решить эту проблему: они окружили медную нанопроволоку никелевым слоем. Этот электрод успешно прошел испытание в 10 тысяч циклов зарядки и разрядки.
Новый материал для электродов был разработан специалистами Института общей и неорганической химии имени Курнакова РАН в сотрудничестве с Московским физико-техническим институтом. Результаты исследования опубликованы в Journal of Energy Storage («Хранение энергии»).
Медь функционирует, никель обеспечивает защиту: эффективное сочетание на наноуровне
Суперконденсаторы способны быстро накапливать и высвобождать энергию, обеспечивая высокую мощность и выдерживая сотни тысяч рабочих циклов. Поэтому они имеют большой интерес для портативной электроники и других устройств, где требуются компактные и надежные накопители энергии.
Однако есть один нюанс: эффективность подобных устройств зависит не только от химического состава электродов, но и от их внутренней структуры. Здесь исследователи сделали акцент на необычном сочетании двух металлов.
Медные нанопроволоки хорошо проводят электричество и являются гораздо более доступными по сравнению с аналогичными наноструктурами из золота и серебра. Однако в щелочном электролите медь быстро подвергается окислению. В результате нанопроволоки разрушаются, превращаясь в отдельные частицы оксида меди, что ведет к распаду проводящей сети.
Чтобы избежать этого, ученые сначала синтезировали медные нанопроволоки, длина которых более чем в тысячу раз превышает диаметр. Затем их покрыли сверхтонким слоем никеля, толщина которого составила всего около 6 нм.
В результате получилась конструкция «ядро — оболочка»: медь отвечает за быстрый перенос электронов, а никель предотвращает ее окисление и растворение. Более того, защитное покрытие не только изолирует медь от агрессивной среды, но и само участвует в электрохимических реакциях, улучшая емкость электрода.
10 тысяч зарядок — и 84% емкости на месте
Ученые не ограничились лишь созданием нанопроволок и протестировали материал в рамках реального устройства. С его использованием был собран прототип асимметричного суперконденсатора с рабочим напряжением 1,5 В.
Максимальная поверхностная плотность энергии составила 35,9 мкВт·ч/см². Но особенно интересен результат испытаний на долговечность: после 10 000 циклов зарядки и разрядки устройство сохранило около 84% своей первоначальной емкости.
Никелевый «щит» помогает сохранить целостность проводящей сети на протяжении тысяч рабочих циклов.
Фото: hi-tech.mail.ru