Гибридный графеновый. Секрет нового суперконденсатора
Команда ученых Технического университета Мюнхена, разработала высокоэффективный суперконденсатор, характеристики которого сопоставимы с используемыми в настоящее время батареями. В его основе используется новый, эффективный и одновременно устойчивый гибрид графена
Обычно хранение энергии связано с батареями и аккумуляторами, которые обеспечивают энергией электронные устройства. Однако, как мы писали ранее в статье Графеновые суперконденсаторы + литиевая батарея – идеальная пара, существкет и альтернативный способ накопления энергии – в суперконденсаторах.
В отличие от батарей они могут быстро накапливать большое количество энергии и так же быстро ее отдавать. Это особенно важно для быстрой зарядки, а также в случае рекуперации энергии, например, при торможении и последующем разгоне.
Однако на сегодняшний день одной из проблем суперконденсаторов была низкая плотность накопленной энергии, которая была на порядок меньше чем у литиевых аккумуляторов.
Команда ученых Технического университета Мюнхена, работающая с химиком Роландом Фишером, разработала новый гибрид графена для суперконденсаторов. Он выполняет функции положительного электрода в накопителе энергии. Исследователи комбинируют его с проверенным отрицательным электродом на основе титана и углерода.
Новое устройство накопления энергии не только обеспечивает высокую плотность накопления энергии, сопоставимой с плотностью энергии никель-металлогидридной батареи, но также работает намного лучше, чем большинство других суперконденсаторов. Секрет нового суперконденсатора заключается в сочетании различных материалов, поэтому химики называют суперконденсатор «асимметричным».
В основе разработки лежит идея объединения основных материалов, причем, в качестве основы исследователи использовали новый положительный электрод накопителя с химически модифицированным графеном и объединили его с наноструктурированным металлоорганическим каркасом, так называемым MOК.
Основополагающими для характеристик гибридов графена являются, с одной стороны, большая удельная поверхность и контролируемые размеры пор, а с другой стороны, высокая электропроводность. Высокие рабочие характеристики материала основаны на сочетании микропористых MOК с проводящей графеновой кислотой.
Для повышения емкости суперконденсаторов важно увеличить поверхность, что, соответственно, позволяет собирать в устройстве большее количество носителей заряда.
Благодаря оптимальному подбору материалов исследователям удалось связать графеновую кислоту с MOК. Полученные в результате гибридные MOК имеют очень большую внутреннюю поверхность до 900 квадратных метров на грамм и очень эффективны в качестве положительных электродов в суперконденсаторе.
Но это не единственное преимущество нового материала. Чтобы получить химически стабильный гибрид, необходимы прочные химические связи между компонентами. Исследователям удалось достичь высоких показателей, связав графеновую кислоту с MOК-аминокислотой, которая создает тип пептидной связи.
Стабильное соединение компонентов на уровне наноструктур имеет огромные преимущества с точки зрения долгосрочной стабильности, ведь чем более стабильны связи, тем больше циклов зарядки и разрядки возможно без значительного ухудшения производительности.
Для сравнения, если у классического литиевого аккумулятора срок службы около 5000 циклов, то у нового суперконденсатора, разработанный исследователями Технического университета Мюнхена, сохраняется почти 90% емкости даже после 10 000 циклов. Таким образом, новые суперконденсаторы бросают реальный вызов аккумуляторам.