Графеновые электроды позволили создать высокочастотный «суперконденсатор»
 Массив вертикально-ориентированных графеновых электродов нового "суперконденсатора". (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Конденсатор – это устройство, сохраняющее электрический заряд. Традиционно конденсатор изображают в виде двух проводящих электродов, между которыми располагается слой диэлектрика. «Суперконденсаторы» - электрохимические аналоги данного устройства (известные также как ионисторы), позволяющие за счет своего внутреннего строения сохранить гораздо больше заряда на единицу площади. Подобные электрохимические конденсаторы заполнены электролитом; принцип их действия основан на возникновении так называемого двойного электрического слоя на границе электрода и электролита при условии приложения внешнего напряжения. Запасенная энергия оказывается существенно выше (по сравнению с традиционным конденсатором) благодаря тому, что толщина двойного электрического слоя достаточно мала по сравнению с толщиной слоя диэлектрика в обычных конденсаторах. Кроме того, природа двойного электрического слоя открывает широкие возможности для увеличения площади этой границы.
Но ионисторы, по сути, являются устройствами низкочастотными. Они могут эффективно функционировать на частотах не более 0,05 Гц, т.к. требуется несколько секунд для «зарядки» и «разрядки» двойного электрического слоя. Поэтому, если говорить о промышленных применениях, то их рассматривают в весьма ограниченном наборе задач. Например, в качестве «кратковременной» батареи для гибридного транспорта, где циклы зарядки и разрядки относительно долгосрочные (10 секунд зарядки аккумулятора на торможении / 10 секунд разрядки при последующем ускорении). Однако на более высоких частотах ионисторы проявляют свойства резистора, а не конденсатора. Это связано с тем, что для увеличения площади двойного электрического слоя обычно применяются пористые проводящие электроды, увеличивающие сопротивление всего устройства.
Но теперь группа исследователей из Shaker Heights and Case Western Reserve University (США) нашла способ обойти эту проблему. Вместо традиционных материалов они применили для создания электродов массивы вертикально-ориентированных графеновых пластин.
Графен представляет собой двумерную кристаллическую форму углерода, атомы которого образуют плоскую гексагональную решетку. На сегодняшний день науке известны десятки способов получения этого материала, среди которых существуют вполне доступные по стоимости. Ученые утверждают, что с применением графена они могут добиться плотности заряда в 50 – 70 мкФ на квадратный сантиметр площади (по сравнению с 3 мкФ на квадратный сантиметр для «традиционных» устройств).
Детальное описание своих экспериментов ученые опубликовали в журнале Science. Получившееся устройство хорошо работает на частотах до 5 МГц, что в 10 тысяч раз лучше существовавших до сих пор аналогов. Для зарядки и разрядки нового «суперконденсатора» требуется время менее 1 мс. Дополнительным преимуществом созданного устройства является то, что оно имеет в 6 раз меньший объем. Это открывает широчайшие возможности по использованию новой идеи в интегральных схемах микро и наномасштаба.
В ближайшем будущем команда планирует оптимизировать конструкцию, чтобы еще более повысить «полезную емкость» на единицу объема нового «суперконденсатора».
Также по теме:
- Графен поможет сделать светодиоды принципиально нового типа
- Графен поможет оперативнее исследовать последовательность ДНК
Источники: