Истчоник фото — minobrnauki.gov.ru
Результаты исследования были опубликованы в журнале Applied Sciences, который издается Многопрофильным институтом цифровых публикаций (MDPI).
Суперконденсаторы, де-факто, представляют собой устройства для кратковременного хранения энергии. Главным их преимуществом является высокая скорость заряда: если у литий-ионных аккумуляторов она составляет не менее 10 минут, то у суперконденсаторов она варьируется от 1 до 10 секунд. При этом суперконденсаторы способны выдерживать до 1 млн циклов заряда-разряда, тогда как батареи – не более 500. Благодаря быстрой регенерации накопленной энергии суперконденсаторы используются для сглаживания выходной мощности ветряных турбин, которая может сильно варьироваться в зависимости от скорости ветра.
Ученые СПбГУ и Омского научного центра Сибирского отделения РАН предложили повысить эффективность суперконденсаторов за счет комбинации многослойных нанотрубок и оксидов переходных металлов. Нанотрубки представляют собой углеродную цилиндрическую структуру, созданную из графена (слоя кристаллической решетки в 300 тыс. раз тоньше листа бумаги) и при этом отличающуюся высокой прочностью и плотностью. Среди двух основных видов нанотрубок – одностенных (имеющих одномерную структуру) и многослойных (состоящих из нескольких концентрически связанных нанотрубок) – последние наиболее пригодны для производства аккумуляторов и суперконденсаторов: как благодаря лучшей проводимости тока, так и химической инертности поверхности, не позволяющей запускать какие-либо реакции.
Примером упомянутых оксидов переходных металлов является оксид марганца – порошок темно-коричневого цвета, использующийся в аккумуляторных батарейках и отличающийся высокой удельной емкостью и низкой токсичностью. Соответственно, во время эксперимента ученые наносили на поверхность нанотрубок слои оксида марганца, а затем полученный композитный материал подвергался температурной обработке для кристаллизации и формирования наночастиц. Наконец, на последнем этапе добавлялся оксид рения (черно-белые кристаллы, не растворимые в воде), что позволило повысить электрохимические свойства композита.
«Полученный композит имел высокие показатели емкости, то есть накапливаемого заряда на единицу массы, это одна из главных характеристик подобных материалов», – цитирует СПбГУ Петр Корусенко, научного сотрудника кафедры электроники твердого тела. «Чем больше заряда может накопить композит за короткие сроки и его отдать, тем больше его эффективность».
Результаты исследования могут повысить эффективность источников импульсной мощности, которые генерируют большое количество энергии в короткий срок. Помимо возобновляемой энергетики, они также используются в транспортных системах и малых накопителях энергии.