Потребность в легких, компактных и обладающих высоким КПД устройствах для хранения энергии огромна и проявляется в различных областях от персональной электроники до гибридных автомобилей. В частности весьма остро стоит проблема улучшения свойств электродов для электрохимических конденсаторов высокой удельной плотности энергии (суперконденсаторов).

Существуют три основных типа материалов для их получения: на основе углерода, на основе оксидов/гидроксидов металлов и проводящие полимеры. Первые работают за счет обратимой адсорбции ионов на поверхности электрода, вторые и третьи обычно характеризуются наличием окислительно-восстановительного процесса, что делает их схожими с батареями, повышая плотность запасаемой энергии, но снижая быстродействие.

Имеется множество работ с попытками объединить достоинства вышеописанных материалов, создав гибридный электрод. В нем, как правило, используется псевдоемкий оксид металла и проводящий углеродный материал. Но совмещая достоинства, в данном случае, совмещаешь и недостатки.

Рис. 1. Схема производства гибридных электродов.

Недавно был предложен принципиально новый тип электродного материала на основе двуслойных нанотрубок, причем оба их слоя состоят из оксидов различных металлов (снаружи – MnO₂, изнутри – Co₃O₄). При этом требуется прозрачность оболочки для ионов из электролита, чтобы материал ядра тоже мог вносить свой вклад в запасание энергии. Для уменьшения “мертвого объема” нанонить подсоединяется непосредственно к коллектору электронов. Нужно сразу отметить, что причина, по которой структура из оксидов двух металлов характеризуется лучшими свойствами, чем каждый из них по отдельности, на данный момент неизвестна.

Рис. 2. Нанотрубки оксида кобальта,
покрытые углеродом (промежуточная стадия).

Для получения описанного материала сначала формируется массив нанотрубок из оксида кобальта непосредственно на поверхности пластины из нержавеющей стали, играющей роль коллектора электронов. Формирование второго слоя (диоксида марганца) проводится по весьма необычной технологии: сначала поверхность нанотрубок покрывается пиролитическим углеродом, а затем он окисляется марганцовкой с осаждением MnO₂ на поверхность Co₃O₄.

Рис. 3. Нанотрубки оксида кобальта,
покрытые оксидом магния (готовый продукт).

Подобная технология позволяет достигнуть емкости в 480 Ф/г при возможности зарядки/разрядки на 56% за 7 секунд и потере емкости 2,7% за 5000 циклов. Для сравнения, обычный массив нанотрубок Co3O4 деградировал за 5000 циклов на 17,4%, а гибридный материал из УНТ и MnO₂ показывал емкость всего лишь порядка 100–200 Ф/г.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Jinping Liu, Jian Jiang, Chuanwei Cheng, Hongxing Li, Jixuan Zhang, Hao Gong, Hong Jin Fan Co₃O₄ Nanowire MnO₂ Ultrathin Nanosheet Core/Shell Arrays: A New Class of High-Performance Pseudocapacitive Materials.  – Advanced Materials. – Volume 23. – Issue 18. – P. 2076–2081, May 10, 2011. – DOI: 10.1002/adma.201100058.