Теги → суперконденсатор
Быстрый переход

Создан суперконденсатор размером с пылинку, который выдаёт напряжение как у пальчиковой батарейки

Немецкие химики создали самый маленький в мире суперконденсатор, выходное напряжение на котором сравнимо с напряжением обычных элементов форм-фактора AA. Более того, суперконденсатор заряжается от такого природного электролита, как кровь человека. Это открывает путь к встроенным в тело автономным медицинским датчикам, что изменит подход к диагностированию и лечению заболеваний, включая онкологические.

Источник изображения: Research Group Prof. Dr. Oliver G. Schmidt

90 суперконденсаторов на кончике пальца. Источник изображения: Research Group Prof. Dr. Oliver G. Schmidt

Современные суперконденсаторы удаётся выпускать размерами около 3 мм3. Химики из Хемницкого технического университета (Chemnitz University of Technology) представили технологию изготовления наносуперконденсаторов (nBSC) объёмом 0,001 мм3 или в 3000 раз меньше. При этом напряжение на конденсаторе достигает 1,6 В, хотя токи, конечно, очень и очень маленькие.

В среднем схема питания с использованием суперконденсаторов nBSC выдаёт около 100 нА. Этого достаточно для работы миниатюрных датчиков, которые вводятся прямо в кровеносные сосуды. Например, исследователи спроектировали и испытали датчик измерения кислотности крови с питанием от nBSC. Важно отметить, что суперконденсаторы не только часами удерживали заряд в потоке крови, но также использовали кровь как электролит, заряжаясь и разряжаясь тысячи циклов.

Строение и токовые характеристики суперконденсаторов. Источник изображения: Nature Communications

Строение и токовые характеристики суперконденсаторов nBSC. Источник изображения: Nature Communications

Чтобы суперконденсатор мог использовать кровь, плазму или физраствор в качестве электролита он изготовлен трубчатым (полым). Кровь проходит сквозь конденсатор и создаёт поток электронов в его обкладках. Интересно, что суперконденсатор изготавливается плоским из нескольких слоёв золота (электроды), мембраны и полимерной оболочки, которые затем сами сворачиваются в трубочку с помощью специальной технологии напряжения материала.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, где полностью доступно для прочтения.

Tesla избавилась от активов разработчика суперконденсаторов Maxwell, но пока неясно почему

Мы уже сообщили, что Tesla продала активы компании Maxwell Technology бывшим сотрудникам. Эту компанию Tesla купила в 2019 году за $235 млн. Maxwell выпускала суперконденсаторы, технологию производства которых Tesla решили использовать в батареях для своих электромобилей. Продажа перспективных активов всего спустя два года поле покупки вызывает вопросы, однозначных ответов на которые пока нет.

Наиболее вероятной причиной покупки Maxwell компанией Tesla считался доступ к сухой технологии производства электродов аккумуляторов. Сегодня материал электродов сначала измельчается в пыль, потом замачивается в растворителе и уже в виде жидкой суспензии наносится на плёнку, которая впоследствии станет катодом или анодом. Но прежде плёнка долго сушится в печах, чтобы выпарить всю жидкость с поверхности будущих электродов. Это длительный и энергоёмкий процесс, который не позволяет сделать производство литиевых аккумуляторов дешевле. Придуманная в Maxwell технология позволяет изготавливать катоды сухим способом без растворителей и сушки.

В лабораторных условиях изобретение Maxwell хорошо себя проявило. Это открывало путь к массовому производству аккумуляторов сухим способом, к чему через 5–10 лет стремилась Tesla. Продажа Maxwell Technology может означать, что масштабирование процесса до уровня массового производства оказалось нереальным по каким-то причинам. Также следует понимать, что Tesla сама не разрабатывает аккумуляторы. В компании пытались это делать, но даже новейший «фирменный» элемент 4680 создан компанией Рanasonic.

Фирменной продукцией Maxwell были суперконденсаторы. Как таковые суперконденсаторы мало интересуют Tesla как производителя электромобилей, хотя идея с рекуперацией на основе суперконденсаторов выглядит разумной. Активы Maxwell Technology выкуплены у Tesla бывшими высокопоставленными сотрудниками Maxwell и, можно предположить, что суперконденсаторный бизнес под этой маркой продолжит своё развитие. Бренд Maxwell, кстати, также выкуплен.

Вполне вероятно, что Tesla приберегла права на технологию Maxwell изготовления электродов сухим методом, тогда как всё остальное её не интересовало. В то же время надо понимать, что при изготовлении аккумуляторов Tesla полагается на партнёров и сама не заказывает и не разрабатывает промышленное оборудование для производства элементов. В таких условиях остается ждать, что кто-то из партнёров решит воспользоваться разработками Maxwell, но если это произойдёт, то очень нескоро. Маск может мечтать о недорогих и ёмких аккумуляторах, но реальность вносит свои неумолимые коррективы.

Японцы соблазнились эстонскими суперконденсаторами: Marubeni покупает долю в Skeleton Technologies

По сообщению японских СМИ, один из пяти крупнейших японских торговых домов — компания Marubeni — приобрёл долю в эстонской компании Skeleton Technologies. В Marubeni рассчитывают, что графеновые суперконденсаторы Skeleton будут крайне востребованы в энергетической сфере и в транспорте на новой энергии. Доля в эстонском стартапе поможет японцам вывести суперконденсаторы на азиатские рынки и на рынок Японии.

Продукция компании Skeleton Technologies (суперконденсаторы)

Продукция компании Skeleton Technologies (суперконденсаторы)

Компания Skeleton Technologies разработала и уже поставляет некоторым европейским автопроизводителям новейшие суперконденсаторы для использования в двигательных установках электромобилей. В отличие от литиевого аккумулятора суперконденсатор может мгновенно отдавать и накапливать намного большую мощность. Это открывает путь к аккумуляторам с «мгновенной» зарядкой.

Впрочем, для дальних поездок батареи из суперконденсаторов не подходят, поскольку удельная плотность хранения энергии у них очень низкая, но для систем рекуперации (зарядка во время торможения) и для сглаживания пиков потребления они крайне полезны. Также суперконденсаторы востребованы в качестве буфера для создания виртуальных электростанций и обслуживания электрогенерации из возобновляемых источников. Всё это объясняет интерес японцев к теме суперконденсаторов.

Что касается компании Skeleton Technologies, то она, как утверждается, разработала и собирается выпускать суперконденсаторы рекордной ёмкости, которая в восемь раз превышает показатели предыдущего поколения. К массовому производству суперконденсаторов нового поколения компания или её производственные партнёры планируют приступить в начале следующего года, а сотрудничество с немецкими институтами позволяет надеяться, что это не голословные утверждения.

Таким образом, компания Marubeni планирует стать распространителем суперконденсаторов Skeleton в азиатском регионе. Но кроме простых продаж Marubeni намерена сотрудничать с клиентами по разработке продуктов на базе эстонских графеновых суперконденсаторов, а это означает создание новых рынков.

Австралийцы создали гибрид суперконденсатора и батареи: ёмкость как у NiMH, а заряжается в пять раз быстрее

Бесконечно можно не только смотреть на огонь или струящуюся воду, но также слушать сказки про новые революционные аккумуляторы. Впрочем, в каждой сказке есть своя быль, поэтому всё воспринимать на веру не нужно, но принимать к сведению — вполне. Сегодня нам рассказали сказку про аккумуляторы учёные из страны ОЗ, как в шутку называют Австралию жители Туманного Альбиона.

Источник изображения: QUT

Источник изображения: QUT

Учёные давно пытаются придать литиевым аккумуляторам свойства суперконденсаторов, чтобы зарядка была условно мгновенной и чтобы выходная мощность была на достойном уровне. Современные литиевые аккумуляторы в комплексе обеспечивают тем же электрокарам Tesla порядка 1000 лошадиных сил. Только представьте, если бы батарея Tesla была суперконденсатором! Тогда под капотом электрокаров этой марки могло разместиться до пяти тысяч лошадей! Это был бы суперкар!

Исследователи из Технологического университета Квинсленда из Австралии создали гибридный аккумулятор, который отрицательный электрод имеет по типу суперконденсатора — обкладку из карбида титана для накопления статического заряда, а положительный — как у типичной литиевой батареи с возможностью накапливать ионы лития в графене. На выходе получился аккумулятор с возможностью быстрой зарядки — примерно в пять раз быстрее, чем у типичной литиевой ячейки, но с ёмкостью существенно выше, чем у суперконденсатора — примерно как у NiMH-батареи.

Если обратиться к цифрам, то гибридный элемент австралийцев обеспечил ёмкость 73 Вт·ч/кг, что примерно составляет 28 % от возможностей современных литийсодержащих аккумуляторов, тогда как его удельная мощность достигла колоссального значения 1600 Вт/кг, так как быстрая зарядка подразумевает также быструю разрядку, а значит отдачу большей мощности за более короткое время.

Источник изображения: QUT

Источник изображения: QUT

Впрочем, изобретатели пока не питают надежд, что их разработка попадёт в фокус интересов производителей тяговых аккумуляторов для электромобилей. Удельная запасаемая ёмкость всё-таки мала, но для замены обычных аккумуляторов и для ряда специфических применений, например, для сглаживания пиков потребления, это интересное решение. В конце концов, даже если заряд смартфона на такой батарее будет держаться существенно меньше суток, то значительно ускоренная зарядка может сделает процесс восполнения заряда простым и даже незаметным: раз — и зарядился.

Один из старейших ядерных реакторов США помогает создавать аккумуляторы будущего

Запущенный в 1965 году в США ядерный реактор HFIR (The High Flux Isotope Reactor) в Окриджской национальной лаборатории используется не только для производства изотопов, востребованных в медицине и промышленности, но также для проведения массы научных экспериментов. В частности, наблюдая за рассеянием нейтронов, испускаемых HFIR, учёные изучают новые пористые структуры суперконденсаторов, чтобы в будущем создать мощные аккумуляторы.

Прооцессы в пористых структурах MOF в представлении художника. Источник изображения: ORNL/Jill Hemman

Процессы в пористых структурах MOF в представлении художника. Источник изображения: ORNL/Jill Hemman

Исторически суперконденсаторы занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами. Поиск новых пористых материалов для электродов суперконденсаторов (в советской и российской литературе — ионисторов) обещает приблизить суперконденсаторы к аккумуляторам. При этом суперконденсаторы могут отдавать большую мощность за более короткое время и иметь очень и очень большой ресурс. Необходимо только найти такие материалы, для чего учёным необходимы точные знания механизмов накопления заряда в суперконденсаторах.

Поскольку лучше один раз увидеть, чем раз за разом строить догадки о происходящих в обкладках суперконденсаторов процессах, группа учёных из Массачусетского технологического института воспользовалась реактором HFIR как источником нейтронов. Нейтроны не имеют заряда и глубоко проникают в пористый материал, где взаимодействуют с ионами и рисуют всю картину происходящих химических процессов в суперконденсаторе.

В конкретном опыте учёные из MIT изучали химические процессы в новой металл-органической каркасной структуре (MOF), которую они предложили для электродов перспективного суперконденсатора. Чрезвычайно пористая структура MOF позволяет накапливать мощный заряд (много ионов), что делает MOF-материалы перспективными для создания мощных тяговых аккумуляторов для электромобилей.

Перезагрузка топлива в реакторе. Источник изображения: ORNL

Перезагрузка топлива в реакторе HFIR. Источник изображения: ORNL

В качестве электролита для эксперимента был создан раствор на основе трифлата натрия. Облучение MOF с пропиткой электролитом потоком нейтронов из реактора HFIR показало интересную картину. До подачи питания на электроды молекулы растворителя из электролита свободно проникают в поры MOF, тогда как ионы натрия в электролите образуют тонкий слой на каркасе MOF (см. первое изображение). Приложение к электродам напряжения заставляло ионы проникать в поры каркасного материала, а от полярности зависело то, какие именно ионы проникают в поры: ионы натрия или ионы трифлата.

Эксперимент не только прояснил механизмы химических и физических процессов в суперконденсаторе, но также подтвердил высокие характеристики нового MOF-материала как перспективного для будущих суперконденсаторов: это хорошая электропроводность, потеря только 10 % ёмкости после 10 тыс. циклов заряда/разряда, а также низкое внутреннее сопротивление, что намекает на хорошую долговечность для будущих коммерческих применений.

В Европе разрабатывают графеновую «супербатарею» с 15-секундной зарядкой

Эстонская компания Skeleton Technologies сообщила об объединении усилий со специалистами немецкого Технологического института Карлсруэ (KIT) в деле разработки автомобильного тягового аккумулятора с возможностью сверхбыстрой зарядки. Утверждается, что гибридный аккумулятор с использованием графена можно будет зарядить за 15 секунд, что должно «изменить правила игры на рынке электромобилей», как рассчитывают эстонские специалисты.

Продукция компании Skeleton Technologies

Продукция компании Skeleton Technologies

Интересно, что недавно компания Skeleton Technologies подписала письмо о намерениях с одним из крупных производителей автомобилей в Европе. Имя компании не раскрывается, но планируется сделка стоимостью 1 млрд евро для вывода новых аккумуляторов на рынок. Иными словами, дело обещает быть серьёзным с получением конкретных результатов.

В то же время необходимо чётко понимать, что за 15 секунд и даже 15 минут зарядить тяговый аккумулятор внушительным объёмом энергии невозможно. Сверхскоростная зарядка возможна для суперконденсаторов, которые характеризуются высокой удельной мощностью, но имеют низкую удельную плотность хранения энергии. Проще говоря, они могут за кратчайшее время вобрать и отдать колоссальную мощность, но запас этой мощности также будет израсходован за кратчайшее время. На этом далеко не уедешь, хотя для ситуации «доехать несколько километров до заправки или до дома» это может стать выходом.

Другое дело режим рекуперации. Тяговый аккумулятор с мощным суперконденсатором может помочь в эффективном возврате энергии классическому литиевому аккумулятору и электромобилю в случаях торможения. В итоге электромобиль на подобных гибридных аккумуляторах сможет проехать дольше и дальше, чем на обычных литийсодержащих аккумуляторах.

В компании Skeleton подчёркивают важность своего изобретение таким примером, как покупка компанией Tesla аккумуляторного бизнеса и суперконденсаторных технологий компании Maxwell Technologies. В основу совместного проекта с немцами ляжет патентованная технология «Curved Graphene» эстонской компании Skeleton, что приведёт к появлению нового типа автомобильных аккумуляторов. Во всяком случае, разработчики в это верят и надеются.

Красный кирпич превратили в аккумулятор: запасать энергию можно прямо в стенах

Группа американских учёных из Университета Вашингтона нашла неожиданное применение обычному красному кирпичу из обожжённой глины. С помощью не очень сложных химических реакций красный кирпич наделили свойством батарейки, точнее ― суперконденсатора. Стена из таких кирпичей может стать источником энергии для аварийного освещения или обеспечить питанием датчики или другую мелкую электронику.

Кирпич питает зелёный светодиод (Washington University in St. Louis)

Красный кирпич питает зелёный светодиод (Washington University in St. Louis)

Пористая структура обожжённого кирпича хорошо подходит в качестве обложки конденсатора, а насыщенность его железом способствует запуску окислительных реакций. Осталось только добавить электроды и напитать кирпичи жидким или гелеобразным электролитом — и суперконденсатор готов. Предложенный техпроцесс превращения кирпичей в накопители энергии подходит как для новых кирпичей, так и для бывших в употреблении.

Единственный минус заключается в том, что в ходе обработки кирпич из красного становится тёмно-синим и даже практически чёрным. Фасады такого цвета потеряют всю классическую «тёплую ламповую» красоту и обаяние красного кирпича.

Доклад о работе и подробное описание химических процессов по превращению поверхности (и структуры) красных кирпичей в суперконденсаторы представлены в журнале Nature Communications (статья на английском языке доступна без регистрации по ссылке). Если вкратце, то суть процесса превращения заключается в нанесении на поверхность кирпича проводящего полимера PEDOT. Волокнистая структура полимера способствует глубокому проникновению волокон внутрь кирпича и создаёт ёмкость для накопления ионов ― «ионную губку», как назвали обработанный кирпич учёные.

Иллюстрация процесса превращения кирпича из обожжённой глины в суперконденсатор (Nature Communications)

Иллюстрация процесса превращения кирпича из обожжённой глины в суперконденсатор (Nature Communications)

В ходе экспериментов было показано, что кирпич может заряжаться до 3 В за 10 секунд и потом 10 минут питать зеленый светодиод. Система работала даже под водой. Кирпич-суперконденсатор выдержал 10 000 циклов заряда без значительного ухудшения свойств, потеряв на этом не больше 10 % от первоначальной ёмкости. К примеру, участок стены из 50 кирпичей-батареек позволит питать аварийное освещение в течение пяти часов. Вместе с возобновляемыми источниками энергии кирпичи-конденсаторы могут многое поменять в строительстве зданий. Впрочем, это только начало исследований. Многое ещё предстоит улучшить.

Российские учёные улучшили суперконденсаторы с помощью кислородной плазмы

Российские учёные сделали ещё одно открытие, которое может приблизить появление «идеальных» источников питания для носимой электроники. Речь идёт о суперконденсаторах, которые по совокупности качеств выглядят привлекательнее классических аккумуляторов. В последнем опубликованном исследовании учёные из Сколтеха и МГУ показали, что увеличивать емкость суперконденсаторов можно с помощью легирования графена кислородом.

Иллюстрация Сколтех

Иллюстрация Сколтех

Ранее учёные провели серию экспериментов, в ходе которой модифицировали поверхности углеродных электродов с помощью атомов азота. Встроенные в углеродную решётку атомы азота существенно повысили электрохимические характеристики модифицированной поверхности. Это означает, что открывается возможность повысить ёмкость заряда суперконденсаторов и, что важно, без ущерба для электролита (без ухудшения в процессе циклов заряда/разряда). Встроенные в углеродную решётку атомы неспособны «отравить» электролит ― безвозвратно изменить его химический состав.

В новой серии экспериментов с легированием углеродной решётки сторонними элементами учёные использовали кислородную плазму как чистую, так и с содержанием азота. Выяснилось, что предложенный процесс позволяет вставлять в углеродную решётку атомы кислорода и одновременно атомы азота, если азот добавлялся в газовую смесь в камере горения.

Измерение электрохимических характеристик модифицированных поверхностей электродов (углеродных структур) показало, что использование для легирования исключительно кислорода существенно повышало значение электрохимической ёмкости материала. Кислород в ряде случаев оказался более перспективным веществом для улучшения свойств суперконденсаторов, чем азот или смеси из этих газов.

Изображение углеродных наностенок со сканирующего электронного микроскопа, возможное положение гетероатомов кислорода и азота, электрохимические характеристики модифицированной поверхности (Сколтех)

Изображение углеродных наностенок со сканирующего электронного микроскопа, возможное положение гетероатомов кислорода и азота, электрохимические характеристики модифицированной поверхности (Сколтех)

Кроме того, легирование кислородом углеродной структуры с помощью кислородной плазмы ― это довольно простой технологический процесс, который окажется недорогим при массовом производстве суперконденсаторов, если до этого дойдёт.

При участии учёных из России создан «зелёный» суперконденсатор для питания носимой электроники

Замечательные качества суперконденсаторов ― высокая удельная мощность, высокая скорость зарядки, длительный срок службы и экономичность ― обещают им яркую жизнь в широком спектре технических систем, от мобильной и носимой электроники до электромобилей. Создание одновременно экологичного, гибкого, энергоёмкого и безопасного суперконденсатора представляет собой проблему, решить которую взялась группа учёных с участием представителей России.

Сколтех

Сколтех

В своём исследовании, опубликованном в журнале Journal of Energy Storage, учёные из Сколтеха, Университета Аалто и Массачусетского технологического института сообщили о создании высокопроизводительного, экономичного и экологически безопасного эластичного суперконденсатора.

В основе разработки лежит хлорид натрия (NaCl), который есть на каждой кухне, ведь это обычная поваренная соль. Гидрогель в виде раствора хлорида натрия заменил обычно используемые в суперконденсаторах ионные жидкости. Последние играют роль электролита, часто токсичного по отношению к окружающей среде. Что касается электролита в виде раствора поваренной соли, то он может представлять опасность лишь в огромных количествах и сразу.

«Для повышения удельной энергоёмкости суперконденсаторов обычно используют ионные жидкости, которые не только являются опасными и экологически вредными, но и значительно уступают по удельной мощности водным электролитам с более высокой проводимостью», ― отмечает один из авторов статьи, профессор Университета Аалто Таня Каллио.

Эластичность новому суперконденсатору придают гибкие токосъёмники (электроды) на основе плёнок из однослойных углеродных нанотрубок (на иллюстрации выше обозначены аббревиатурой (SWCNT). Внутренний слой суперконденсатора выполнен из твердотельного материала в виде пластинчатых электродов из графена, легированного азотом (NG). Одна из частей элемента заполнена гидрогелем с хлоридом натрия. Использование гидрогеля позволяет добиться высокой удельной энергоемкости суперконденсатора при компактном исполнении, не жертвуя экологичностью электролита.

«Мы изготовили прототип, у которого производительность оставалась неизменной после тысячи циклов растяжения при деформации в 50 %. Затраты на изготовление суперконденсаторов можно снизить и далее, если использовать 3D-печать и другие современные производственные технологии», ― сказал в заключение профессор Сколтеха Альберт Насибулин.

Китайцы разработали силовые конденсаторы, которые могут изменить представление об электротранспорте

Практически неизвестная на Западе китайская компания Toomen New Energy из Шэньчжэня смогла разработать технологию производства силовых конденсаторов, которые могут стать компромиссом между суперконденсаторами и литиево-ионными батареями. Разработка оказалось неожиданно уникальной даже для искушённых европейских инженеров и учёных.

В Европе партнёром компании Toomen New Energy стал небольшой бельгийский стартап Kurt.Energy. Глава стартапа Эрик Ферхульст (Eric Verhulst) обнаружил маленький стенд Toomen New Energy на выставке Hannover Messe в Германии ещё в 2018 году, когда присматривал перспективные батарейные технологии для силовых электромобильных установок. Взятые на пробу силовые конденсаторы Toomen превзошли все самые смелые мечтания инженера. По характеристикам в то время они в 20 раз превосходили возможности аналогичной продукции компании Maxwell. Было чему удивиться!

Конструктивно силовые конденсаторы Toomen представляют собой элемент накопления электрического заряда без химической реакции, как примерно это происходит в суперконденсаторе. Один электрод с «активированным углем» изготовлен из графена, а другой «основан на соединении лития, но по сравнению с литиево-ионными батареями там нет активного лития».

При изготовлении такие источники хранения энергии выходят дороже классических литиево-ионных, но в пересчёте на доллар на киловатт на цикл (заряда) они получаются дешевле. Также за счёт высокой отдаваемой мощности силовые конденсаторы можно использовать в гибридных силовых установках автомобилей как буферное решение, которое позволит сэкономить топливо, а заряжаться будет очень быстро ― за считанные минуты.

Силовые конденсаторы Toomen не имеют электролита. Вместо него в элементах находится некий наполнитель для переноса заряда. Такая конструкция не грозит загрязнением окружающей среде в случае разрыва оболочки и неогнеопасна.

В настоящее время Toomen выпускает два типа силовых конденсаторов. Один из них ориентирован на наивысшую плотность запасаемой энергии, а другой обеспечивает максимальную мощность. Ячейки Toomen повышенной плотности в настоящее время предлагают плотность энергии в диапазоне 200–260 Вт·ч/кг с плотностью мощности в пределах 300–500 Вт/кг. Элементы высокой мощности отдачи представлены образцами с плотностью энергии 80–100 Вт·ч/кг при плотности мощности около 1500 Вт/кг и достигают пика до 5000 Вт/кг.

Для сравнения, современные суперконденсаторы DuraBlue компании Maxwell предлагает гораздо более низкую плотность энергии на уровне 8–10 Вт·ч/кг, но очень высокую плотность мощности около 12 000 – 14 000 Вт/кг. С другой стороны, хорошая литиево-ионная батарея предлагает плотность хранения энергии 150–250 Вт·ч/кг, а плотность мощности в районе 250–350 Вт/кг. Нетрудно заметить, что силовые конденсаторы Toomen обеспечивают высочайшую плотность запасаемой энергии при умеренной плотность мощности для суперконденсаторов и высочайшую плотность мощности при достижении границы плотности хранения энергии в литиево-ионных батареях.

Кроме того, силовые конденсаторы Toomen могут работать при температуре от –50 ºC до 45 ºC без защиты нагревом или охлаждением. Для автомобильных аккумуляторов это важное преимущество, ведь они не потребуют какой-либо температурной защиты или управляющей электроники, а значит, позволят ещё немного сэкономить на стоимости и весе подсистемы питания.

Создан гибкий ионистор для питания носимых устройств

Ионисторы (или, как их ещё называют, суперконденсаторы) имеют много преимуществ перед классическими аккумуляторами с точки зрения хранения энергии: их ёмкость больше, они намного быстрее заряжаются и т. п. Такие накопители заряда могли бы стать идеальным решением для носимой электроники, например, смарт-часов, если бы не одно «но»: для такого применения их необходимо делать гибкими. И в этом вся проблема: гибкие ионисторы сложны в изготовлении, ненадёжны и при этом дороги. Однако исследователи из Кембриджского университета и Лондонского университета королевы Марии нашли способ преодолеть перечисленные выше трудности.

Структура обычного ионистера выглядит так, как на картинке справа. Она несовершенна, но нашлось решение, использующее принцип карамельной трости

Структура обычного ионистора выглядит так, как на картинке справа. Она несовершенна, но нашлось решение, использующее принцип карамельной трости

Один из главных недостатков всех создававшихся прежде суперконденсаторов — необходимость доставки ионов из одного слоя полимеров в другой. Из-за того, что глубина проникновения довольно мала, второй слой приходится делать предельно тонким, переплетая его с первым на наноуровне. Такая «конструкция» оказывается очень хрупкой, из-за чего и возникает сложность производства гибких ионисторов, требующая применения сложных технологий и дорогих материалов.

Прототип электрода, предложенный командой учёных во главе со Стояном Смуковым (Stoyan Smoukov), подразумевает переплетение полимеров с ионами и проводящего материала по тому же принципу, как переплетаются разноцветные полоски в карамельной трости, то есть в форме вытянутой спирали. Благодаря найденному решению два полимера находятся в постоянной близости друг от друга, облегчая перемещение между ними ионов. Вместе с тем, ионистор нового типа обладает большим ресурсом (после 3000 циклов сохраняется 97,5 % ёмкости) и прекрасно переносит деформацию (после 1000 сгибаний ёмкость осталась 99 %). По мнению исследований, их разработка имеет большие перспективы применения в носимой электронике, в том числе и гибкой.

Смартфоны на суперконденсаторах смогут автономно работать неделю

Исследователи из Университета Центральной Флориды разработали метод создания гибких суперконденсаторов, которые позволят ощутимо повысить время автономной работы мобильных устройств. Кроме того, элементы питания на таких суперконденсаторах будут служить гораздо дольше. Как утверждают учёные, эти устройства могут перезаряжаться более 30 тыс. раз без деградации. 

Новые суперконденсаторы отличаются компактными габаритами

Новые суперконденсаторы отличаются компактными габаритами

Как отметил один из ведущих участников проекта Нитин Чаудхэри (Nitin Choudhary), суперконденсаторы позволят заряжать смартфон всего за несколько секунд. При этом одного такого заряда хватит на целую неделю автономной работы.

Учёным удалось интегрировать двухмерные материалы в суперконденсаторы

Учёным удалось интегрировать двухмерные материалы в суперконденсаторы

Попытки использовать суперконденсаторы для замены традиционных батарей совершались уже неоднократно. Ключевой проблемой являются габаритные размеры таких устройств. Для того чтобы достичь такой же ёмкости, как и литий-ионный аккумулятор, суперконденсатор должен иметь сравнительно крупные размеры. Авторам исследования удалось уменьшить габариты суперконденсаторов благодаря применению так называемых двухмерных материалов толщиной всего несколько атомов.

Исследователи разработали суперконденсаторы, состоящие из миллионов нанотрубок диаметром порядка нескольких нанометров. Ранее учёные уже установили, что использование двухмерных материалов может использоваться для создания ёмких хранилищ энергии. Но до открытия исследователей из Университета Центральной Флориды интеграцию этих материалов на практике было трудно осуществить.

По мнению исследователей, их разработка может пригодиться также и в качестве элементов питания электромобилей. К сожалению, до стадии коммерциализации проекту ещё далеко.

Гибридный суперконденсатор заменит тонкоплёночные батареи

Исследователи Института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе скомбинировали два наноматериала в новом гибридном суперконденсаторе. Изобретение объединило в себе лучше свойства батарей и суперконденсаторов. Гибридный прибор отличается большой ёмкостью, быстро перезаряжается и способен выдержать более десяти тысяч циклов перезарядки.

UCLA

UCLA

Суперконденсаторы являются электромеханическими компонентами, которые способны заряжаться за считанные секунды. Но, в отличие от батарей, они не могут хранить достаточно много энергии для питания компьютеров и смартфонов. Новинка может хранить в два раза больше энергии, чем типичные тонкоплёночные литиевые аккумуляторы. При этом её габаритные размеры столь малы, что позволяют интегрировать прибор в носимую электронику и имплантаты.

UCLA

UCLA

Новые компоненты объединяют так называемый LSG-графен, полученный с помощью лазерной гравировки, и диоксид марганца. Для производства гибридного суперконденсатора особые температурные условия и дорогие «чистые комнаты» не нужны.

Сроки коммерческого внедрения новинки исследователи не уточняют, но обещают, что это может произойти уже в ближайшем будущем.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
General Motors построит катодный завод в Северной Америке для создания электромобильных батарей 51 мин.
Новая статья: Обзор игрового ноутбука Thunderobot Zero с Intel Core i7-11800H и NVIDIA GeForce RTX 3070 на борту 2 ч.
Samsung работает над умной колонкой Galaxy Home Mini второго поколения 2 ч.
Samsung готовит бюджетники Galaxy A13 и Galaxy A03S с поддержкой 5G, но дороже предшественников 2 ч.
Российские противоспутниковые испытания заставили SpaceX передвинуть несколько аппаратов Starlink 3 ч.
Huawei анонсировала в России детские смарт-часы Huawei Watch Kids 4 Pro 3 ч.
Китай начал строить крупнейший в мире завод по производству «зелёного» водорода 3 ч.
NVIDIA подтвердила подготовку видеокарты GeForce RTX 2060 с 12 Гбайт видеопамяти 4 ч.
Digital Realty предлагает протестировать bare-metal серверы с СЖО CoolestDC 7 ч.
Xiaomi представит свой первый 4К-монитор 4 декабря — он будет ориентирован на профессиональных пользователей 7 ч.