​Суперконденсаторы бросают вызов батареям: мощный графеновый гибридный материал для высокоэффективных суперконденсаторов

-
18:54
51
​Суперконденсаторы бросают вызов батареям: мощный графеновый гибридный материал для высокоэффективных суперконденсаторов

Команда, работающая с Роландом Фишером, профессором неорганической и металлоорганической химии Мюнхенского технического университета (TUM), разработала высокоэффективный суперконденсатор. Основой накопителя энергии является новый, мощный и одновременно устойчивый графеновый гибридный материал, который по своим эксплуатационным характеристикам сравним с используемыми в настоящее время батареями.

Обычно хранение энергии связано с батареями и аккумуляторами, которые обеспечивают энергией электронные устройства. Однако в настоящее время в ноутбуках, фотоаппаратах, мобильных телефонах или транспортных средствах все чаще устанавливаются так называемые суперконденсаторы.

В отличие от аккумуляторов, они могут быстро накапливать большое количество энергии и так же быстро ее отдавать. Если, например, поезд тормозит при въезде на станцию, то суперконденсаторы накапливают энергию и обеспечивают ее снова, когда поезд  нуждается в большом количестве энергии при начале движения.

Однако, одной из проблем с суперконденсаторами на сегодняшний день является их недостаточная плотность энергии. В то время как литиевые аккумуляторы достигают плотности энергии до 265 киловатт-часов (кВт/ч), суперконденсаторы до сих пор выдают лишь десятую часть этой энергии.

Команда, работающая с химиком компании TUM Роландом Фишером (Roland Fischer), разработала новый, мощный и экологичный графеновый гибридный материал для суперконденсаторов. Он служит в качестве положительного электрода в накопителе энергии. Исследователи комбинируют его с проверенным отрицательным электродом на основе титана и углерода.

Новый накопитель энергии не только достигает плотности энергии до 73 Вт/кг, что примерно эквивалентно плотности энергии никель-металлогидридной батареи, но и работает намного лучше, чем большинство других суперконденсаторов при плотности мощности 16 кВт/кг. Секрет нового суперконденсатора заключается в комбинации различных материалов — поэтому химики называют суперконденсатор «асимметричным».

Исследователи делают ставку на новую стратегию преодоления эксплуатационных ограничений стандартных материалов — они используют гибридные материалы. «Природа полна очень сложных, эволюционно оптимизированных гибридных материалов — примерами являются кости и зубы. Их механические свойства, такие как твердость и эластичность, были оптимизированы благодаря комбинации различных материалов по природе», — говорит Роланд Фишер.

Абстрактная идея сочетания базовых материалов была перенесена исследовательской группой на суперконденсаторы. В качестве основы они использовали новый положительный электрод накопителя с химически модифицированным графеном и соединили его с наноструктурным металлическим органическим каркасом, так называемым MOF.

Решающими для производительности графеновых гибридов являются, с одной стороны, большая удельная поверхность и контролируемые размеры пор, а с другой стороны, высокая электропроводность. «Высокая производительность материала основана на сочетании микропористых MOF с проводящей графеновой кислотой», — объясняет первый автор Джаярамулу Коллебойина, бывший приглашенный ученый, работающий с Роландом Фишером.

Большая поверхность важна для хороших суперконденсаторов". Она позволяет собирать соответственно большое количество носителей заряда внутри материала — это основной принцип для хранения электрической энергии.

Благодаря умелому дизайну материала, исследователи добились успеха в соединении графеновой кислоты с MOF. Полученные в результате гибридные МОФ имеют очень большую внутреннюю поверхность до 900 квадратных метров на грамм и обладают высокой производительностью в качестве положительных электродов в суперконденсаторе.

Длительная стабильность

Однако это не единственное преимущество нового материала. Для создания химически стабильного гибрида необходимы прочные химические связи между компонентами. Очевидно, что эти связи такие же, как и между аминокислотами в белках, по словам Фишера: «На самом деле, мы соединили графеновую кислоту с MOF-аминокислотой, которая создает тип пептидной связи».

Стабильная связь между наноструктурными компонентами имеет огромные преимущества с точки зрения долгосрочной стабильности: Чем стабильнее связь, тем больше циклов зарядки и разгрузки возможно без значительного ухудшения эксплуатационных характеристик.

Для сравнения: Классический литиевый аккумулятор имеет срок службы около 5000 циклов. Новая ячейка, разработанная исследователями компании TUM, сохраняет почти 90-процентную емкость даже после 10 000 циклов.

Фишер подчеркивает, насколько важным было неограниченное международное сотрудничество исследователей, когда дело доходило до разработки нового суперконденсатора. Соответственно, Джаярамулу Коллебойина создал команду. Он был приглашенным ученым из Индии, приглашенным Фондом Александра фон Гумбольдта, и в настоящее время является руководителем химического отдела недавно созданного Индийского технологического института в Джамму.

«Наша команда также объединилась с экспертами по электрохимии и исследованиям аккумуляторов в Барселоне, а также с экспертами по графеновым производным из Чешской Республики», — сообщает Фишер. «Кроме того, у нас есть интегрированные партнеры из США и Австралии. Это замечательное, международное сотрудничество обещает много интересного».

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...