Прорывные технологии повышения плотности энергии гибких суперконденсаторов

Новые разработки в области создания суперконденсаторов обеспечивают их высокую плотность энергии 106 мкВтч см2 при максимальной плотности мощности 40 мВт см2 и стабильности цикла.

В суперконденсаторах применяется технология, которая значительно отличается от обратимых химических реакций, используемых в аккумуляторных батареях. Они накапливают электрическую энергию, создавая разделение положительного и электрического заряда. Эта способность позволяет им подавать значительное количество энергии за короткий промежуток времени, необходимой, например, для ускорения электромобилей или открытия аварийных дверей в самолетах. Однако они имеют и недостаток, заключающийся в относительно низком количестве энергии, которое они могут хранить, оцениваемое, как их плотность энергии.

Исследовательская группа KAUST нашла способ увеличить плотность энергии с помощью материалов, известных как ковалентные органические каркасы (COF). Это кристаллические пористые полимеры, образованные из органических строительных блоков, удерживаемых вместе прочными «ковалентными» связями – типа тех, которые удерживают атомы вместе внутри молекул.

Причина ранее низкой производительности COF, как выяснила команда ученых, связана с их низкой проводимостью. Они смогли преодолеть это ограничение, исследуя модифицированные структуры, которые позволили электронам «делокализоваться», что означает, что они могут значительно перемещаться по молекулам.

Исследователи разработали многослойные двумерные COF для эффективного использования нескольких механизмов накопления заряда в одном материале и при этом удалось значительно увеличить емкость накопителя заряда COF.

И вот новая прорывная технология — группа ученых из Института твердых материалов Института физических наук Хэфэй (HFIPS) синтезировала трехмерные пористые сотовые нанолисты CoN-Ni3 N / NC и массивы нанолент из нитрида ванадия (VN) с помощью оригинального метода выращивания, что позволило создать гибкий суперконденсатор с высокой плотностью энергии.

Нитриды переходных металлов (TMN) являются потенциальными электродными материалами для высокоэффективных накопителей энергии, но структурная нестабильность препятствует их применению. Поэтому крайне важно было создавать современные катодные материалы для гибких, пригодных для носки, долговечных устройств хранения энергии с высокой плотностью энергии.

В этом исследовании ученые спроектировали и изготовили интегрированный катод с трехмерными пористыми сотовыми нанолистами (CoN -Ni3 N / NC, выращенные на гибкой углеродной ткани).

Дальнейшие эксперименты показали, что увеличилась не только собственная проводимость, а и концентрация активных центров. Это дает преимущество новому материалу, который можно использовать в качестве встроенного электрода суперконденсатора для достижения высоких электрохимических характеристик.

Такой суперконденсатор обеспечивает высокую плотность энергии 106 мкВтч см2 при максимальной плотности мощности 40 мВт см2, обеспечивая необходимую стабильность цикла.

Эти исследования расширяют перспективы создания высокоэнергетической гибкой носимой электроники следующего поколения, решая проблему накопления энергии.