Ученые из Сколковского Института Науки и Технологии (Россия) и Университета Аалто (Финляндия) предложили новый метод изготовления уникальных суперконденсаторов, основанных на электродах из однослойных углеродных нанотрубок и сепараторе из бор нитридных нанотрубок. Такие конденсаторы могут использоваться в современной портативной электронике.
В настоящее время исследования в области гибких и эластичных суперконденсаторов сосредоточены на изготовлении подходящих для этих целей электродов, поскольку они больше всего влияют на производительность устройства. Однако, помимо этого, сепарирующий слой для таких суперконденсаторов по-прежнему остается относительно неизведанным элементом.
Помимо того, что сепараторные материалы для эластичных суперконденсаторов должны быть пористыми и химически стабильными диэлектриками, они должны выдерживать многочисленные тесты на изгиб и растяжение без появления серьезных структурных повреждений, чтобы их можно было использовать в носимой и портативной электронике. Материалами, отвечающими вышеупомянутым требованиям, являются полимеры и электролиты на основе полимеров. Однако, несмотря на их дешевизну и не токсичность, такие материалы демонстрируют плохое смачивание водными электролитами и имеют слабую механическую прочность. Кроме того, их толщина для суперконденсаторов достаточно велика (0,2 мм), что приводит к высоким внутренним сопротивлениям устройств на их основе. Именно нанотрубки из нитрида бора (БННТ), которые использовались в данной работе, представляют собой диэлектрический наноматериал с уникальными прочностными и эластичными свойствами, и, таким образом, считается идеальным для эластичных сепараторов. Другим ключевым компонентом суперконденсатора, как было упомянуто ранее, являются электроды, которые должны быть высоко проводящими и механически стабильными. В данном проекте исследователи использовали пленки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), поскольку такой материал имеет уникальную пористую структуру, высокую удельную площадь поверхности, низкое удельное электросопротивление и высокую химическую стабильность, наряду с высокими прочностными показателями.
Сепаратор из БННТ толщиной всего 500 нанометров обеспечивает надежную защиту от короткого замыкания и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) эластичного суперконденсатора. Устройство, изготовленное в конфигурации тестовой ячейки для характеризации материалов, входящих в него, сохраняет 96% от его начальной емкости после 20 000 циклов зарядки/разрядки, при очень низком эквивалентном последовательном сопротивлении 4,6 Ом. Эластичный прототип суперконденсатора выдерживает по меньшей мере 1 000 циклов деформации на 50% растяжения от начальной длины при небольшом увеличении объемной емкости и объемной плотности мощности после растяжения. Кроме того, в сравнении с имеющимися устройствами такого типа, данный эластичный прототип имеет низкое сопротивление, равное 250 Ом.
«В этой работе мы выбрали пленки ОУНТ и БННТ в качестве электродов и сепаратора эластичного суперконденсатора, соответственно, которые легко используются вместе благодаря их структуре, усиливающей связь на интерфейсе двух материалов и позволяющей тестировать и характеризовать устройство в целом при механическом растяжении. Мы успешно решили проблему снижения толщины и сопротивления сепараторного слоя, сохраняя эластичные свойства устройства», - говорит первый автор статьи, опубликованной в журнале семьи Nature, Scientific Reports, аспирант Сколковского Института Науки и Технологии, Евгения Гильштейн.
«Технология изготовления таких суперконденсаторов очень проста, поскольку она основана на методах сухого осаждения и аэрографии. Благодаря своей стабильной работе устройство является перспективным для носимой электроники и гибких систем хранения энергии», - говорит профессор Сколковского Института Науки и Технологии, Альберт Насибулин.
Изображение сепаратора из БННТ, нанесенного на электрод из пленки ОУНТ, полученное сканирующим электронным микроскопом, (Б) спектры импеданса эластичного суперконденсатора (синим) после 1000 циклов растяжения на 25% удлинения (черным), 50% удлинения (красным); (В) циклические вольтамперометрические спектры изготовленного эластичного суперконденсатора (синим), растянутого на 25% (черным) и 50% (красным) после 1000 циклов растяжения.
Дополнительная информация в научной статье: www.nature.com/articles/s41598-017-17801-4
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение. Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности. Сайт: http://www.skoltech.ru/
