Исследователи из Китая разработали новый ультратонкий суперконденсатор, емкость которого в шесть раз выше емкости самых мощных современных коммерчески доступных суперконденсаторов. Помимо высокой емкости новый конденсатор выгодно отличается от существующих еще и тем, что сочетает высокую гибкость и уникальные электромеханические свойства.

Исследователи из группы Чуйжу Менга (Chuizhou Meng) из Университета Циньхуа начали изучение методов получения гибких конденсаторов исходя из того, что в настоящее время электронные устройства уменьшаются и становятся гибкими. Однако миниатюризация систем питания таких устройств – аккумуляторов и суперконденсаторов происходит не с такой большой скоростью, что, естественно тормозит прогресс в области создания более легкой и удобной электроники нового поколения.

Так, размеры суперконденсаторов определяются их конструкционным строением – два электрода, погруженных в жидкий электролит, отделены друг от друга специальным разделителем. Два основных недостатка такой конструкции заключаются в том, что, во-первых, наличие жидкого электролита требует специального контейнера для предотвращения протечек жидкости, и, во-вторых, большое количество элементов, из которых создана система, приводит к понижению производительности и сокращению жизни устройства.

Рис. 1. (A) Система из трех новых сверхгибких суперконденсаторов может являться сточником питания для красного светоизлучающего диода. (B) Схема устройства гибких тонких суперконденсаторов, состоящих только из твердых материалов. (Рисунок из Nano Lett., 2010, DOI:10.1021/nl1019672).

Для того чтобы сделать энергозапасающее устройство, которое было бы меньше по размеру и гибче уже существующих, исследователи решили использовать материалы на основе углерода. Новый суперконденсатор был получен из двух электродов из полианилина (проводящего полимера) и углеродных нанотрубок; электроды были помещены в гелеобразный полимерный твердотельный электролит (одновременно игравший роль разделителя). Такой подход к конструкции позволил исследователям получить гибкий суперконденсатор, который был не толще листа бумаги. Применение новых материалов и отсутствие движущихся частей позволило исследователям отойти от классической конфигурации и увеличить гибкость элемента питания. Интересным наблюдением оказалось то, что при наложении напряжения и сгибании емкость нового суперконденсатора.

Во время лабораторных испытаний исследователи продемонстрировали, что максимальная емкость нового суперконденсатора (в согнутом, напряженном состоянии) составляет 31.4 Ф/г, для сравнения – емкость коммерчески доступных в настоящее время суперконденсаторов составляет 5.2 Ф/г. Новый суперконденсатор также обладает и другими уникальными характеристиками – высокой плотностью энергии, низким значением тока потерь и большим количеством циклов зарядки-разрядки. Исследователи предполагают, что эти свойства могут быть дополнительно улучшены за счет оптимизации материалов для создания устройства и особенностей его конструкции, например, уменьшения расстояния между электродами.

Исследователи продемонстрировали, что три суперконденсатора, объединенные в единую систему, могут использоваться в качестве источника тока для красного светоизлучающего диода. После 15 минут зарядки током с напряжением 2.5 В суперконденсаторы поддерживали свечение светоизлучающего диода около получаса.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Chuizhou Meng, Changhong Liu, Luzhuo Chen, Chunhua Hu, and Shoushan Fan Highly Flexible and All-Solid-State Paperlike Polymer Supercapacitors – Nano Lett. – DOI: 10.1021/nl1019672.

По материалам: