Инженеры-механики из Калифорнийской школы инженеров и прикладных наук UCLA Henry Samueli разработали сверхэффективный и долговечный электрод для суперконденсаторов. Конструкция устройства была вдохновлена структурой и функцией листьев на ветвях деревьев и она более чем в 10 раз эффективнее других конструкций.

 

Credit: UCLA Engineering

 

Конструкция электрода обеспечивает такое же количество сохраняемой энергии и обеспечивает такую ​​же мощность, как и аналогичные электроды, несмотря на то, что они намного меньше и легче. В экспериментах устройство демонстрировало на 30% лучшую емкость – способность хранить электрический заряд – на единицу массы по сравнению с лучшим доступным электродом из подобных углеродных материалов, и в 30 раз лучшую емкость на единицу площади. Он также обеспечил в 10 раз больше мощности, чем другие конструкции, и сохранил 95 процентов своей начальной емкости после более чем 10 000 циклов зарядки.

Их работа описана в журнале Nature Communications.

Суперконденсаторы являются перезаряжаемыми накопителями энергии, которые обеспечивают большую мощность для их размеров, чем батареи аналогичного размера. Они также быстро заряжаются, и они рассчитаны на сотни и тысячи циклов перезарядки. Успехи в технологии суперконденсаторов помогут шире использовать.

Инженеры знали, что суперконденсаторы могут быть более мощными, чем сегодняшние модели, но одна из проблем заключается в создании более эффективных и прочных электродов. Электроды притягивают ионы, которые хранят энергию, к поверхности суперконденсатора, где эта энергия становится доступной для использования. Ионы в суперконденсаторах находятся в растворе электролита. Способность электрода быстро доставлять запасенную энергию определяется в значительной степени тем, сколькими ионами он может обменяься с этим раствором: чем больше ионов он может обменять, тем быстрее он может доставлять энергию.

Исследователи разработали новый электрод, чтобы максимизировать его площадь поверхности, создавав максимально возможное пространство для привлечения им электронов. Они черпают вдохновение из структуры деревьев, которые способны поглощать достаточное количество углекислого газа для фотосинтеза из-за площади своих листьев.

 

«Мы часто находим вдохновение в природе, и растения открыли лучший способ абсорбции химических веществ, таких как углекислый газ, из окружающей среды», - сказал Тим Фишер, главный исследователь исследования и профессор Калифорнийского университета по механике и аэрокосмической технике. «В этом случае мы использовали эту идею, но в гораздо меньших масштабах».

Для создания дизайна «ветка и листья» исследователи использовали две наномасштабные структуры, состоящие из атомов углерода. «Ветви» представляют собой массивы полых цилиндрических углеродных нанотрубок диаметром от 20 до 30 нанометров; а «листья» представляют собой осколочные лепестковые структуры шириной около 100 нанометров, изготовленные из графеновых ультратонких листов углерода. Затем листья располагаются по периметру стеблей нанотрубок. Листоподобные лепестки графена также обеспечивают стабильность электродов.

 Затем инженеры образовали структуры в туннельные массивы, которые ионы, которые транспортируют накопленную энергию, преодоливают с гораздо меньшим сопротивлением между электролитом и поверхностью для доставки энергии, чем если бы поверхности электрода были плоскими.

Электрод также хорошо работает в кислых условиях и высоких температурах, в тех средах, в которых могут использоваться суперконденсаторы.

Источник: Guoping Xiong et al. Bioinspired leaves-on-branchlet hybrid carbon nanostructure for supercapacitors, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03112-3

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта