Речь идет о суперконденсаторах — устройствах, которые, в отличие от обычных аккумуляторов, хранят энергию не в химических связях, а в виде разделенного электрического заряда на поверхности электродов. Благодаря этому они способны накапливать больше энергии в меньшем объеме и отдавать ее значительно быстрее, чем традиционные батареи. Однако до сих пор суперконденсаторы страдали от серьезного ограничения: лишь часть потенциальной емкости материалов, из которых они изготовлены, удавалось использовать на практике.
Проблема кроется в физических свойствах графена — одного из самых перспективных материалов для электродов. Хотя графен позволяет создавать очень плотные электроды, простое наслаивание его листов неэффективно: они слипаются слишком тесно и не оставляют достаточно пространства для ионов, которые должны свободно перемещаться для накопления и отдачи энергии. Чтобы обойти это препятствие, ученые ранее создавали объемные пористые структуры, напоминающие губку, — они обеспечивали и большую площадь поверхности, и пути для движения ионов, но получались громоздкими.
Специалисты австралийского Университета Монаша решили эту задачу иначе. Они разработали двухступенчатый процесс нагревания, в результате которого получается новый материал — многомасштабный восстановленный оксид графена. Он представляет собой запутанную сеть изогнутых графеновых структур с несколькими уровнями организации. Такая архитектура сохраняет огромную площадь поверхности для хранения заряда, но при этом обеспечивает быстрое перемещение ионов.
Ученые встроили новый материал в так называемые пакетные ячейки — тонкие гибкие аккумуляторы в мягкой оболочке, которые применяются в электромобилях, дронах, смартфонах, ноутбуках и носимой электронике. Получились устройства с рекордными показателями плотности энергии и мощности.
«Это открытие может позволить нам создавать быстро заряжающиеся суперконденсаторы, которые накапливают и отдают энергию гораздо быстрее, чем существующие батареи», — отметил профессор механической и аэрокосмической инженерии Майнак Маджумдер.
Практические перспективы технологии обширные: графеновые суперконденсаторы могут стать основой для более емких и компактных источников питания с сокращенным временем зарядки для воплощения в жизнь технологий будущего.
Ранее новые методы создания многослойных анодов для аккумуляторов предложили российские ученые.
