Ученые из Университета Пикардии имени Жюля Верна во Франции сделали важный шаг в развитии миниатюрных систем хранения энергии. Им удалось создать электроды из квантовых точек сульфида молибдена (MoS₂), которые показали очень высокие результаты в составе микро-суперконденсаторов – компактных накопителей, которые работают в датчиках интернета вещей, носимой электронике и медицинских имплантах.
До сих пор основным ограничением для микро-суперконденсаторов, ценимых за быструю зарядку и высокий ресурс по циклам, оставалась сравнительно низкая плотность энергии – то есть объем энергии, который устройство способно накопить при минимальной массе. Исследователи исходили из того, что эту проблему можно решить, если совместить в одном материале высокую электропроводность и очень большую активную поверхность, доступную для ионов электролита. В качестве такого материала они выбрали сульфид молибдена, но использовали его не в привычной слоистой форме, а в виде квантовых точек – наночастиц размером всего несколько нанометров. В этом масштабе проявляются квантово-размерные эффекты, которые радикально меняют и улучшают электрохимические свойства вещества.
Принципиальное значение имел не только сам материал, но и способ его получения. Команда применила метод импульсного электрохимического осаждения, при котором напряжение подается на подложку короткими импульсами. Такой режим позволяет точно разделить стадии зарождения и роста наночастиц и сформировать на поверхности электрода однородный и плотный слой квантовых точек. При этом исследователи сознательно управляли внутренней структурой материала. Им удалось добиться сосуществования сразу двух кристаллических фаз MoS₂ внутри одних и тех же наночастиц – металлической 1T-фазы и полупроводниковой 2H-фазы. Первая обеспечивает высокую электронную проводимость и снижает внутренние потери, вторая отвечает за структурную устойчивость и формирует большое число активных центров, где происходит накопление заряда. Именно эта комбинация и стала ключевым фактором высоких характеристик.
Испытания показали, что оптимизированный электрод на основе таких квантовых точек достигает удельной емкости 741 Фарад на грамм в сернокислом электролите – это значительно выше значений, характерных для большинства ранее известных электродов на основе MoS₂. При этом материал оказался исключительно устойчивым к деградации: после 35 тысяч циклов заряд-разрядов он сохраняет 89,6% исходной емкости, что указывает на высокий ресурс и надежность.
На следующем этапе ученые собрали из двух одинаковых электродов симметричный микро-суперконденсатор – уже полноценное миниатюрное устройство. Его параметры оказались не менее впечатляющими: удельная емкость составила 272 Ф/г, плотность энергии достигла 112 Вт·ч/кг, а плотность мощности – 3712 Вт/кг. Даже после 20 тысяч циклов устройство сохраняло 77% начальной емкости. По совокупности характеристик такая разработка не только не уступает лучшим мировым образцам, но по ряду показателей сопоставима или превосходит передовые системы на основе MXенов и графена, которые сегодня считаются эталонными материалами для компактных накопителей энергии.
