Прорыв в области графеновых суперконденсаторов может повысить эффективность хранения энергии в электромобилях будущего и других бытовых устройствах
Новый материал под названием «многослойный восстановленный оксид графена» может обеспечить более быструю зарядку и подачу энергии, чем традиционные аккумуляторы.
(Фото: Вэйцюань Линь/Getty Images)
Ученые нашли новый способ обработки графена, позволяющий создавать вещество с рекордной плотностью энергии и мощности.
По словам исследователей, эта новая форма графена, используемая в устройствах для хранения энергии, называемых суперконденсаторами, может стать ключом к созданию ёмких и быстрозаряжающихся накопителей энергии, которые будут выдавать мощность быстрее, чем обычные аккумуляторы. Об этом говорится в заявлении.
Новый материал, получивший название «многослойный восстановленный оксид графена» (M-rGO), создан на основе графита, который широко распространён в природе. Исследователи включили его в состав аккумуляторных элементов, представляющих собой перезаряжаемые батареи, упакованные в тонкий, гибкий, ламинированный конверт из фольги вместо жёсткого металлического корпуса. 15 сентября учёные опубликовали результаты своего исследования в журнале Nature Communications.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы используются в электромобилях, дронах, носимой электронике, ноутбуках, смартфонах и планшетах. По мнению исследовательской группы, создание таких аккумуляторов на основе M-rGO может привести к увеличению общей ёмкости, сокращению времени зарядки и возможности питания более сложных и энергоёмких устройств от аккумуляторов меньшего размера.
Накапливают энергию
В то время как традиционные аккумуляторы накапливают энергию за счёт химических связей, суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые накапливают энергию за счёт разделения электрического заряда на поверхностях электродов. Их преимущество перед традиционными аккумуляторами заключается в более высокой плотности энергии — количестве энергии, которое можно накопить в определённом пространстве, — и плотности мощности — скорости подачи энергии на единицу объёма.
Однако до недавнего времени у суперконденсаторов было одно существенное ограничение: можно было использовать только часть потенциальной энергии материалов, из которых они были изготовлены.
Это ограничение связано с физическими свойствами графена. Несмотря на то, что он позволяет использовать более плотные электроды — твёрдые проводники в аккумуляторе, в которых хранится заряд, — он очень неэффективно использует это пространство. Например, простая укладка графена неэффективна, потому что листы слишком плотно прилегают друг к другу и не оставляют достаточно места для ионов, которые должны перемещаться внутрь и наружу для хранения энергии.
Чтобы решить эту проблему, учёные создали беспорядочные трёхмерные структуры, похожие на губки, которые обеспечивают как большую площадь для хранения, так и пути для перемещения ионов. Несмотря на небольшой вес, эти структуры были большими и громоздкими.
Это открытие позволяет решить проблему за счёт двухэтапного нагрева графена. В результате образуется запутанная, изогнутая графеновая сеть с несколькими уровнями структуры, которая по-прежнему обеспечивает быстрое движение ионов и при этом имеет большую площадь поверхности для накопления энергии.
«Это открытие может позволить нам создать быстрозаряжающиеся суперконденсаторы, которые будут накапливать достаточно энергии, чтобы заменить аккумуляторы во многих сферах применения, и отдавать её гораздо быстрее», — заявил Майнак Маджумдер, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в австралийском Университете Монаша.
