Композит из графена и углеродных нанотрубок позволяет запасать энергию
 Схематическое изображение и СТМ-скан материала, состоящего из графена и углеродных нанотрубок. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Конденсаторы – это устройства, позволяющие накапливать и сохранять электрический заряд. Суперконденсаторы, также известные как двухслойные или электрохимические конденсаторы, могут сохранять гораздо больше энергии за счет формирования двойного слоя при подаче внешнего напряжения на границе электрода и электролита.
Поскольку со временем спрос на портативные электронные устройства только увеличивается, исследователи обращают все больше внимания на микроконденсаторы для хранения энергии. Хотя с точки зрения потенциального применения в этих устройствах было изучено много различных материалов (включая производные графена), ни один из них не является совместимым с задачей линейной фильтрации переменного напряжения с частотой 120 Гц. Стоит отметить, что линейная фильтрация позволяет сглаживать так называемые остатки пульсации напряжения. Такая фильтрация особенно важна при использовании энергии из возобновляемых источников, к примеру, при питании устройства от турбины ГЭС или с помощью ветра, поскольку здесь частоты могут варьироваться, в зависимости от скорости потока воды или воздуха. Из-за несовместимости предлагавшихся ранее разработок с отфильтрованным напряжением, в таких приложениях на сегодняшний день чаще всего используются алюминиевые электролитические конденсаторы, недостатком которых является низкая плотность запасаемой энергии.
Суперконденсаторы могли бы найти в этой сфере широчайшее применение. Но с их использованием связана одна существенная проблема. Эффективность фильтрации напряжения обычно характеризуется таким параметром, как фазовый угол электрического сопротивления на частоте 120 Гц. И фазовый угол суперконденсаторов, создававшихся до сих пор в коммерческих масштабах, на частоте 120 Гц близок к 0 градусов. Однако группа ученых из Rice University (США) предложила конструкцию суперконденсатора, не обладающую этим недостатком. Согласно проведенным ими экспериментам, суперконденсаторы, сформированные из листов графена (двумерного материала из углерода, атомы которого образуют гексагональную кристаллическую решетку) и углеродных нанотрубок, демонстрируют фазовый угол более -81,5 градусов при частоте в 120 Гц, что соизмеримо с параметрами используемых сейчас алюминиевых электролитических конденсаторов.
Как утверждают сами ученые, столь высокий фазовый угол возможен благодаря фактически бесшовному соединению графена и нанотрубок. Как показывают расчеты, новое устройство имеет емкость до 2,16 мкФ на квадратный сантиметр в водном электролите и до 3,93 мкФ на квадратный сантиметр в ионных, таким образом, его параметры сравнимы с характеристиками современных коммерческих суперконденсаторов. При этом скорость разряда новых конденсаторов составляет 400 В/с, что в сотни раз превышает скорость разряда, наблюдаемую в большинстве суперконденсаторов.
Упомянутые выше характеристики, по мнению ученых, означают, что такие гибридные устройства могут стать в будущем идеальными дискретными источниками энергии для применения в портативной электронике.
Поскольку предложенный в качестве структурного элемента этого устройства трехмерный материал обладает очень высокой электропроводностью и сравнительно большой площадью поверхности, в ближайшем будущем ученые планируют оценить возможность его использования в других вариантах суперконденсаторов, в частности, в передовых литий-ионных батареях.
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.
Также по теме:
- Упругие углеродные нанотрубки позволяют делать датчики, похожие на кожу
- Создан симбиоз графена и углеродных нанотрубок
- Предложена конструкция искусственной мышцы из нанотрубок
- Транзисторы на основе нанотрубок пригодны для космических условий
- Связки нанотрубок могут найти применение в солнечных элементах
Источники: