Французская компания Pi-Pop ebike летом этого года приступила к продажам третьего поколения уникальных электровелосипедов. С самого начала компания не планировала использовать дорогостоящие аккумуляторы с ограниченным циклом работы. Вместо этого для преодоления трудных участков маршрута энергия запасается в суперконденсаторах. Заряд происходит при движении прямо или с горки, а также во время торможения, а расходуется при движении в гору.

Источник изображений: Pi-Pop

Переход на суперконденсаторы ограничивает возможности передвижения на электрической тяге. Мощности полного заряда хватает на преодоление 500 м под углом не более 10 °. После этого придётся самому крутить педали 21-кг «электробайка». И всё же, отказ от литиевых аккумуляторов обеспечит многократный рост устойчивости накопительного блока к износу (до 15 лет) и будет не таким затратным для изготовления и последующей утилизации. В блоке суперконденсаторов нет ничего вреднее пластика, железа и других широко распространённых химических элементов. Наконец, он никогда не загорится, что изредка, но с очень плохими последствиями случается с электровелосипедами.

Новые модели фирменных велосипедов на суперконденсаторах компания Pi-Pop ebike продаёт за 2450 евро, включая НДС ($2675). Каждый месяц она собирает 100 электровелосипедов и рассчитывает в новом году значительно увеличить объёмы. Заявленная мощность электрического двигателя достигает 250 Вт.

Процесс зарядки и использования мощности суперконденсаторов полностью автоматический. Владельцу не нужно заботиться о его заряде и разряде. Автоматика незаметно нагружает педали зарядкой при движении по ровной поверхности и полностью переводит на заряд во время торможения и частично во время спуска с возвышенности. Точно также мощность автоматически подаётся на привод во время подъёма на гору, облегчая его. Очевидно, чтобы в полной мере воспользоваться ёмкостью суперконденсаторов, придётся немного поездить по ровной местности. Они полностью разряжаются примерно за два месяца простоя электровелосипеда.

Китайские ученые создали биоразлагаемое беспроводное устройство, которое может принимать и даже хранить энергию, находясь внутри человека — под его кожей. Оно может питать биоэлектронные имплантаты, например, полностью биоразлагаемые системы доставки лекарств.

Созданный китайскими учеными беспроводной источник питания и накопитель энергии. Источник изображения: Lanzhou University

Имплантируемые биоэлектронные системы, такие как датчики мониторинга и имплантаты для доставки лекарств, являются малоинвазивными и надёжными способами точного контроля и лечения пациентов. Однако, согласно статье, опубликованной в четверг в журнале Science Advances под руководством исследователей из Университета Ланьчжоу, разработка модулей питания для работы этих устройств отстаёт от создания биосовместимых и биоразлагаемых датчиков и схемных блоков.

Хотя существуют биоразлагаемые блоки питания, они часто могут быть использованы только один раз и обладают недостаточной мощностью для биомедицинских приложений. Кроме того, блоки питания, подключаемые к трансдермальным зарядным устройствам, могут вызывать воспаление, а блоки питания, работающие от не перезаряжаемых батарей, могут потребовать хирургической замены, что чревато осложнениями.

Для устранения этого недостатка исследователи предложили беспроводную имплантируемую систему питания, обладающую «одновременно высокой эффективностью накопления энергии и благоприятными свойствами взаимодействия с тканями». Её мягкая и гибкая конструкция позволяет адаптироваться к форме тканей и органов.

Беспроводное устройство питания состоит из магниевой катушки, которая заряжает устройство при размещении внешней передающей катушки на коже над имплантатом. Прямо как с беспроводной зарядкой для смартфона. Энергия, получаемая катушкой под кожей, проходит через цепь, после чего поступает в модуль хранения энергии, состоящий из гибридных цинк-ионных суперконденсаторов (ионисторов). Ионисторы по своим характеристикам занимают промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока, например, аккумулятором. Хотя суперконденсаторы хранят меньше энергии на единицу объёма, чем литиевые батареи, они обладают высокой плотностью мощности и поэтому могут стабильно выдавать большое количество энергии.

Прототип системы электропитания, заключенный в гибкий биоразлагаемый чипоподобный имплантат, объединяет в одном устройстве приём и накопление энергии. Энергия может поступать по электрической цепи непосредственно в подключенное биоэлектронное устройство, а также в ионистор, где она накапливается «для обеспечения постоянного и стабильного разряда для питания биоэлектронного устройства» после завершения зарядки.

Цинк и магний необходимы человеческому организму, и исследователи отмечают, что их количество, содержащееся в устройстве, ниже уровня ежедневного потребления, что делает растворяемые имплантаты биосовместимыми. Всё устройство заключено в полимер и воск, которые могут изгибаться и деформироваться в соответствии со структурой ткани, в которую оно помещено.

Испытания устройства на крысах показали, что оно может эффективно работать до 10 дней, а полностью рассасывается в течение двух месяцев. Продолжительность работы устройства может быть изменена путем изменения толщины и химического состава инкапсулирующего слоя. Чтобы продемонстрировать функциональность источника питания, исследователи соединили уложенные суперконденсаторы с приёмной катушкой и биодеградируемым устройством доставки лекарств и имплантировали их крысам. Имплантируемый прототип не был заключен в единое устройство, а состоял из отдельных инкапсулированных частей, соединенных между собой. Устройство доставки лекарственного средства, содержащее противовоспалительный препарат, было имплантировано крысам с дрожжевой лихорадкой. В течение 12 часов наблюдения температура в группе без имплантата была значительно выше, чем в группе с имплантатом.

Исследователи отметили, что остаётся проблема включения и выключения устройства, поскольку оно перестаёт функционировать только тогда, когда заканчивается заряд. Однако, по их мнению, контролируемый запуск зарядки также может управлять и продолжительностью включения и выключения. По словам исследователей, у крыс, которым вводили имплантат без подзарядки, также наблюдалось некоторое пассивное высвобождение лекарственного вещества, поскольку температура, зарегистрированная в этой группе, также была снижена по сравнению с контрольной группой.

Тем не менее, в статье говорится, что прототип «представляет собой важный шаг вперед в продвижении широкого спектра имплантируемых биоэлектронных устройств с переходным режимом работы, способных обеспечить эффективные и надежные энергетические решения».

Индийские учёные реализовали суперконденсатор микронного размера — создали самый маленький накопитель энергии данного типа. Разработка будет востребована для носимой и имплантируемой электроники, а также для датчиков и миниатюрной «умной» техники. Такую микронную «батарейку» можно встроить в любой чип, а это автономность и свобода действий.

Источник изображения: Vinod Panwar

В отличие от обычных химических батарей (аккумуляторов), суперконденсаторы заряжаются очень быстро и способны отдавать большую мощность за кратчайшее время. С ёмкостью у суперконденсаторов всё гораздо скромнее, но для многих задач её вполне хватает. Индийская разработка снимает ещё одно ограничение — учёные совершили прорыв на направлении миниатюризации. Размеры изделия были уменьшены на три порядка.

В основе «микросуперконденсатора», разработанного в Индийском институте науки в Бенгалуру, лежит графен и такой двумерный материал, как дисульфид молибдена (MoS₂). Чешуйки графена и MoS₂ чередовались в каждом электроде суперконденсатора — в катоде и аноде. В качестве электролита использован гель, что даёт возможность интегрировать микросуперконденсаторы в чипы. С водорастворимым электролитом такое было бы сложно или даже невозможно.

Изготовленный таким образом конденсатор показал ёмкость 1,8 мкФ/см² для однослойной структуры (графен-MoS₂). Многослойная структура электродов, состоящих из нескольких чередующихся слоёв графена и дисульфида молибдена набрала ёмкость в 30 раз больше или 54 мкФ/см², а это уже представляет интерес с практической точки зрения.

Источник изображения: ACS Energy Letters

Как поясняют в своей работе учёные, опубликованной в журнале ACS Energy Letters, двухслойные материалы типа MoS₂ являются полупроводниками и, по сути, образуют p-n-переходы (транзисторные структуры). Множество переходов заставляет ионы распределяться между слоями электродов, а не скапливаться исключительно на границе раздела электролит-электрод. Электроды сами становятся накопителями энергии. Это кратно увеличивает ёмкость самых маленьких суперконденсаторов и сулит им хорошие перспективы в качестве источников питания носимой электроники.