×
Новое устройство сочетает в себе преимущества батареи и суперконденсатора

Ученые из Калифорнийского университета наносистем разработали новое устройство, которое сочетает в себе высокую плотность энергии в аккумуляторах и быструю зарядку и разрядку с помощью суперконденсаторов. Гибридное устройство, как сообщается, в шесть раз более привлекательно в качестве коммерчески доступного конденсатора и потребляет столько же энергии, приходящейся на единицу объема, сколько свинцово-кислотный аккумулятор.



Проще говоря, батареи могут хранить много энергии в небольшом и легком корпусе, но они не могут быстро заряжаться или разряжаться. Это длительный эффект. Зато суперконденсаторы могут. Одно устройство, объединяющее все положительные качества батарей, может изменить весь технологический ландшафт сегодня, что приведет к появлению более легких, компактных телефонов и электромобилей, которые заряжаются за секунды, а не часы.



Профессор Ричард Канер (Richard Kaner) и доктор Махер Эль-Кади (Maher El-Kady) сделали важный шаг в этом направлении, создав высокопроизводительный гибридный суперконденсатор. Как и другие конденсаторы, образец способен выдержать не менее 10 000 циклов перезарядки. Но, согласно заявлению ученых, их изобретение также хранит в шесть раз больше энергии, чем обычный конденсатор, при этом проводя более чем в два раза больший заряд, чем у типичной литиевой батареи. При этом толщина нового устройства – с лист бумаги.

Количество энергии, которая может храниться в таком устройстве, зависит в значительной степени от площади контакта между электролитом и двумя электродами: чем больше площадь контакта, тем больше энергии, которая может быть сохранена. Предыдущие гибридные суперконденсаторы использовали пористые структуры в электроде, чтобы максимизировать эту область, но поры были просто слишком большие и, следовательно, слишком малы в энергетическом плане, учитывая относительно небольшое влияние на производительность.



Ученые же использовали диоксид марганца (материал, используемый для щелочных батарей) для электродов, а также добавили специальный трехмерный размеченный лазером графен в структуру. Важно отметить, что структура графена была специально разработана для высокой проводимости, пористости и площади поверхности, что позволяет устройству собирать гораздо больше энергии на единицу объема и массы.



«Хотя наши электроды представляют собой тонкие (около 15 мкм) структуры, они способны хранить больше заряда, чем толстые (100–200 мкм) коммерческие конденсаторы, которые используются в промышленности сейчас», – говорит Эль-Кади.



По словам исследователей, их суперконденсаторы могут достигать плотности энергии до 42 Вт•ч/л, по сравнению с 7 Вт•ч/л у тех моделей, которые используются сейчас. Всему виной устаревшая технология на основе углерода. Также новое устройство обеспечивает удельную мощность примерно до 10 кВт/л, что в 100 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.



«Конденсаторы на основе марганца-диоксида могут хранить до шести раз больший электрический заряд в свинцово-кислотных батареях, при этом заряд или разрядка может произойти за секунды. Это привлекательно для современной промышленности», – говорит Канер.



Суперконденсаторы, как правило, укладываются друг на друга и упакованы в единое целое, но исследователи смогли воспользоваться тонкостью своего устройства путем интеграции панели солнечных батарей внутри. При этом было обнаружено, что суперконденсаторы могут хранить электрический заряд, генерируемый в солнечной батарее, в течение дня до вечера, а затем включить светодиоды ночью. И это лишь одно из многих возможных применений этой технологии.



Канер говорит, что его команда в настоящее время изучает возможность использования  электродов для создания гибридных суперконденсаторов в крупном масштабе. И вы можете увидеть работу устройства в коротком видеоролике ниже.

 

Автор: Степан Мазур