Команда ученых разработала высокоэффективный суперконденсатор. В основе устройства накопления энергии лежит новый, мощный и устойчивый гибридный графеновый материал, характеристики которого сопоставимы с используемыми в настоящее время батареями.

Обычно для хранения энергии используют батареи и аккумуляторы, которые обеспечивают энергией электронные устройства. Однако сейчас в ноутбуках, камерах, мобильных телефонах или транспортных средствах все чаще устанавливаются суперконденсаторы.

В отличие от батарей, они могут быстро накапливать большое количество энергии и так же быстро ее разряжать. Если, например, поезд тормозит при входе на станцию, суперконденсаторы накапливают энергию и обеспечивают ее снова, когда поезду быстро требуется много энергии при запуске.

Однако на сегодняшний день одной из проблем суперконденсаторов было отсутствие у них плотности энергии. В то время как литиевые аккумуляторы достигают плотности энергии до 265 кВатт—час на килограмм, суперконденсаторы пока доставляют только десятую часть от этого уровня.

Команда ученых, работающая с профессором неорганической и металлоорганической химии в Техническом университете Мюнхена (TUM), разработала новый, мощный и устойчивый гибридный материал графена для суперконденсаторов. Он служит положительным электродом в накопителе энергии. Исследователи комбинируют его с проверенным отрицательным электродом на основе титана и углерода.

Новое устройство накопления энергии не только обеспечивает плотность энергии до 73 кВт-час на килограмм, что примерно эквивалентно плотности энергии никель-металлогидридной батареи. При этом новое устройство работает намного лучше, чем большинство других суперконденсаторов, при плотности мощности 16 кВт-час на килограмм. Секрет нового суперконденсатора заключается в сочетании различных материалов, поэтому химики называют суперконденсатор «асимметричным».

При создании нового устройства исследователи сделали ставку на новую стратегию преодоления пределов производительности стандартных материалов и использовании гибридных материалов.

Абстрактная идея объединения основных материалов была перенесена на суперконденсаторы. В качестве основы они использовали новый положительный электрод накопителя с химически модифицированным графеном и объединили его с наноструктурированным металлоорганическим каркасом, так называемым MOF. Решающими для характеристик гибридов графена являются, с одной стороны, большая удельная поверхность и контролируемые размеры пор, а с другой стороны, высокая электропроводность.

Для хороших суперконденсаторов важна большая поверхность. Это позволяет собирать в материале соответственно большое количество носителей заряда — это основной принцип хранения электрической энергии. Благодаря искусному дизайну материалов исследователям удалось связать графеновую кислоту с MOF. Полученные в результате гибридные MOF имеют очень большую внутреннюю поверхность до 900 кв. м на грамм и очень эффективны в качестве положительных электродов в суперконденсаторе.

Стабильное соединение между наноструктурированными компонентами имеет огромные преимущества с точки зрения долгосрочной стабильности: чем более стабильны связи, тем больше циклов зарядки и разрядки возможно без значительного ухудшения производительности.

Для сравнения: у классического литиевого аккумулятора срок службы около 5 000 циклов. Новый элемент, разработанный исследователями TUM, сохраняет почти 90% емкости даже после 10 000 циклов.