Группа французских и американских учёных недавно опубликовала работу, в которой предложила использовать углеродные многослойные частицы, которые легко получаются в макроколичествах при обработке порошка наноалмазов при температуре 1800^oC и формой своей напоминают луковицу, в качестве материала электродов суперконденсатора. Они создали прототип суперкондесатора с довольно высокой удельной ёмкостью и скоростью разрядки до 200 В/с.

Принцип работы суперконденсаторов заключается в том, что энергия запасается между двумя близко расположенными слоями, которые имеют противоположные заряды. Такой тип конденсаторов может используется для питания различных гибридных электромобилей, портативных электронных устройств и т.д. Обладая высокой скоростью заряда / разряда, а также способностью выдерживать миллионы таких циклов, электрохимические конденсаторы представляют собой связующее звено между батареями, которые обладают высокой плотностью запасаемой энергии, но малой скоростью разряда, и обычными конденсаторами, которые имеют малую плотность запасаемой энергии и высокую скоростью разряда. По ряду причин (в частности, встраивание в интегральные схемы, медленное протекание диффузионных процессов и т.д.) при разработке суперконденсаторов используют наноматериалы.

Группа французских и американских учёных недавно опубликовала работу, в которой предложила использовать углеродные многослойные частицы, которые легко получаются в макроколичествах при обработке порошка наноалмазов при температуре 1800 oC и формой своей напоминают луковицу, в качестве материала электродов суперконденсатора (Рисунок 1).

Рис. 1. Устройство микросуперконденсатора на основе углеродных наночастиц. a. Модель поперечного сечения углеродной наночастицы. b. TEM-изображение такой частицы с. Схема расположения элементов суперконденсатора. d-e. Оптическое и SEM изображения электродов с нанесёнными углеродными наночастицами, соответственно.

Далее методом электрофоретичекого осаждения полученные углеродные наночастицы диаметром 6–7 нм иммобилизировали на поверхности золотых контактов конечного устройства. Затем авторы работы провели исследования электрохимического поведения созданного суперконденсатора (Рисунок 2) и сравнили его характеристики с характеристиками суперконденсатора, созданного по аналогичной методике, но только с использованием обычного активированного угля (Рисунок 3).

Рис. 2. Электрохимические характеристики полученного микроустройства. a. Циклические вольтамперограммы устройства в 1М Et4NBF4/безводный пропилен карбонат при различных скоростях развертки потенциала. b. Зависимость тока разрядки от скорости развертки потенциала (вплоть до 100 В/с наблюдается линейная зависимость).

Рис. 3. Сравнение микросуперконденсаторов с другими устройствами-истониками энергии. Показательным представляется сравнение характеристик суперконденсаторов, полученных по одной и той же методике, но с различными формами углерода: активированного угля и углеродных наночастиц с луковицеподобной структурой.

Оказалось, что указанное выше «луковицеподобное» структурирование значительно влияет на электрохимическое поведение системы, в частности, более чем в 25 раз уменьшается характерное время релаксации (τ0), а рабочий диапазон скоростей разряда увеличивается до 200 В/с без значительного снижения удельных значений ёмкости и запасённой энергии. Сравнение с другими видами источников тока и конденсаторов приведено на Рисунке 4.

Рис. 4. Сравнение зависимостей удельной энергоёмкости от удельной мощности таких привычных источников энергии, как обычные конденсаторы, суперконденсаторы и батареи с полученными в работе микроустройствами.

Авторы работы понимают, что необходимы некоторые дополнительные научные и технологические изыскания для оптимизации работы предложенного суперконденсатора, однако области его потенциального применения, по мнению учёных, огромны: беспроводные сети сенсоров, биомедицинские импланты, активные метки радиочастотной идентификации (RFID), встроенные, интегрированные микросенсоры и т.д.

По материалам: