Учеными университета Райса в Хьюстоне недавно был представлен новый тип твердотельных конденсаторов большой емкости, созданный с использованием нанотехнологий, сочетающий лучшие свойства суперконденсаторов и аккумуляторных батарей.

Обычные конденсаторы, по сравнению с аккумуляторными батареями могут заряжаться и отдавать накопленную энергию гораздо быстрее, в сотни и тысячи раз. С другой стороны, аккумуляторные батареи могут накапливать намного больше энергии, чем конденсаторы. Так же существуют двухслойные конденсаторы (electric double-layer capacitors, EDLC), известные еще как суперконденсаторы, которые имеют электрическую емкость, сравнимую с емкостью аккумуляторных батарей, сохраняя при этом высокую скорость разряда-заряда обычных конденсаторов. Но в большинстве конденсаторов EDLC используются жидкие или гелеобразные электролиты, которые перестают нормально работать и выходят из строя при высокой или низкой температуре. Недавно, учеными университета Райс в Хьюстоне был разработан новый тип твердотельных конденсаторов большой емкости, а используя нанотехнологии, ученым удалось обойти все вышеуказанные ограничения.

Основой новых твердотельных конденсаторов стали «пачки» углеродных нанотрубок, каждая из которых имеда диаметр 15–20 нанометров и длину 50 микрон.

Этот «лес» из нанотрубок служит для максимизации эффективной площади поверхности, что и определяет электрическую емкость конденсаторов. Каждая «пачка» нанотрубок прикрепляется к металлической поверхности, состоящей из тонких слоев золота и титана, использование этих двух металлов позволяет получить высокую электрическую проводимость электрода и сильную механическую связь нанотрубок с электродом.

Поверх пачек нанотрубок наносился слой окиси алюминия, который выступает в качестве диэлектрического слоя конденсатора, а поверх этого слоя наносился слой окиси цинка, выступающий в качестве второго электрода конденсатора. И, наконец, для увеличения электропроводимости второго электрода, поверх окиси цинка был нанесен слой серебра.

Рис. 1. «Пачки» углеродных нанотрубок, используемых при создании нового твердотельного конденсатора.

Твердотельный суперконденсатор университета Райса оказался совершенно не подвержен влиянию высокой и низкой температуры, он выдерживает процессы заряда-разрядки, происходящие на относительно высокой частоте. Процесс его производства достаточно прост и масштабируем, что позволяет с его помощью производить конденсаторы практически любых габаритов и форм. Все это делает такие конденсаторы идеальным решением для применения в электромобилях, где они могут располагаться на внутренней поверхности кузовов автомобилей. Так же из достаточно прочного материала таких конденсаторов можно делать элементы конструкции микророботов, которые будут являться источником питания для самих себя.

«Наша технология твердотельных суперконденсаторов может использована для аккумулирования энергии во многих устройствах будущего, включая гибкие дисплеи, биоимплантанты, датчики всевозможных типов и других электронных устройств, которым требуются источники энергии большой емкости, способные быстро заряжаться и отдавать накопленную энергию» – рассказал Кэри Пинт (Cary Pint), один из ученых, возглавлявший данные исследования.

Помимо исследований, о которых шла речь выше, в данном университете ведутся разработки технологии аккумулирования энергии, сочетающей в себе признаки аккумуляторных батарей и конденсаторов.

Но, иллинойские ученые пошли совершенно по другому пути, они создали наноструктурные литий-ионные аккумуляторы, которые уже сейчас могут заряжаться и разряжаться в 100 раз быстрее, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы.