Физики создали растягивающийся в восемь раз суперконденсатор

Американские физики разработали эластичный суперконденсатор, способный растягиваться в восемь раз, при этом оставаясь полностью работоспособным. Он устойчив к повторяющимся растяжениям и сжатиям и теряет всего несколько процентов емкости после 10 тысяч циклов перезарядки. В будущем, такой суперконденсатор может стать источником питания для гибких электронных устройств, пишут ученые в журнале Matter.

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между стандартными конденсаторами и электрическими аккумуляторами. Они способны заряжаться и разряжаться гораздо быстрее аккумуляторов и обладают более высокой емкостью, чем обычные конденсаторы. Поэтому их активно используют для питания устройств, которые потребляют большое количество энергии за короткое время. К таким устройствам можно отнести, например, вспышки фотоаппаратов. Инженеры не забывают и о способности суперконденсаторов к очень быстрой зарядке. К примеру, беспроводная отвертка с суперконденсатором вместо аккумулятора заряжается всего за 90 секунд, хотя аккумуляторная версия проработает на одном заряде в два раза дольше.

Эластичные суперконденсаторы — главные претенденты на роль источников питания гибких электронных устройств. Ученые научились производить их из пленок, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). Используя пленки из прямых УНТ лесов, исследователи создалисуперконденсатор емкостью 100 Ф г-1 при растяжении до 30 процентов от первоначальной длины. Оказалось, что гораздо эффективнее ведут себя суперконденсаторы на «скомканных» УНТ (crumpling CNT), емкость которых вдвое выше предыдущих вариантов, а растягивать такой суперконденсатор можно на целых 800 процентов. Однако, оба варианта имеют свои недостатки. Суперконденсаторы с прямыми УНТ лесами довольно быстро трескаются при попытке растянуть их, а «скомканные» УНТ леса демонстрируют высокое сопротивление в удлиненном состоянии.

Лес прямых (слева) и «скомканных» (справа) УНТ.

Yihao Zhou et al./ Matter, 2020

 

Группа ученых под руководством Ихао Чжоу (Yihao Zhou) из Университета Дьюка модифицировала технологию «скомканных» УНТ, добавив слой золота к пленкам из УНТ. Таким образом, ученые решили проблему высокого сопротивления при большом растяжении суперконденсатора. Вырастив лес из УНТ на кремниевой пластине, физики покрыли его тонким слоем золота, который снижает сопротивление устройства и позволяет ему заряжаться и разряжаться еще быстрее.

Технологический процесс выглядит следующим образом. Заготовку кладут на предварительно натянутую эластомерную подложку, заполняют гелем и дают подложке сжаться до исходного состояния. Так физики запутывают нанотрубки и сминают золотой слой, который, помимо своей основной функции, помогает избежать растрескивания нанотрубок во время сжатия подложки. Полученные таким образом электроды заполняют гелевым электролитом и кладут друг на друга. Теперь приложив разницу потенциалов к двум электродам, суперконденсатор можно зарядить. Одного заряда такого суперконденсатора хватит, чтобы питать наручные часы на протяжении полутора часов.

Процесс производства электрода суперконденсатора.

Yihao Zhou et al./ Matter, 2020

Ученым еще предстоит пройти долгий путь к созданию полностью эластичной электронной системы, считают авторы исследования. Их суперконденсатор пока не может обеспечить долгую работу портативного устройства. Но, вполне вероятно, что следующие его модификации уже станут частью системы эластичного устройства, наряду с растягиваемыми проводами, датчиками и детекторами.

Ранее ученые научились следить за отдельными ионами в суперконденсаторах, сделали для них элетроды из древесины и даже получили премию RUSNANOPRIZE.

Олег Макаров
 

Источник: N+1