Прорыв в материаловедении: глина - для высокотемпературных суперконденсаторов
Глина, очень распространённый и дешёвый природный материал, является ключевым ингредиентом в суперконденсаторах (ионисторах), которые могут работать при очень высоких температурах. Данные ионисторы были разработаны учёными из Университета Райса. Один из исследователей, Пуликел Аджаян (Pulickel Ajayan),сообщает в интернет-журнале Scientific Reports, что суперконденсаторы надёжно функционируют при температурах до 200°С - и, возможно, даже выше. Устройство может быть использовано для снабжения энергией устройств в экстремальных условиях: при бурении нефтяных скважин, в ходе военных действий и в космосе.
«Наша цель - полностью отойти от обычного жидкого или гелевого типов электролитов, которые были ограничены эксплуатацией электрохимических устройств при низких температурах», - заявил Арава Лила Мохана Редди (Arava Leela Mohana Reddy), ведущий автор исследования, бывший научный сотрудник Университета Райс.
«Мы обнаружили, что мембрана электролита на основе глины меняет все правила игры: она преодолевает одно из самый главных ограничений», - рассказывает Редди. «Она обеспечивает безопасность эксплуатации в широком диапазоне температур без необходимости идти на компромисс в показателях энергии, силы тока и жизненного цикла. Мы можем значительно улучшить или вообще избавиться от нужды в системах управления температурой».
Суперконденсатор сочетает в себе лучшие качества конденсаторов, которые в считанные секунды заряжаются и передают энергию аккумуляторам, которые заряжаются медленно, но высвобождают энергию по требованию в течение долгого времени. Идеальный суперконденсатор будет заряжаться быстро, накапливать энергию и расходовать её по мере необходимости.
«Исследователи пытались в течение многих лет создать накопители энергии, такие как батареи и суперконденсаторы, которые будут надёжно работать в условиях высоких температур, но задача была сложной, с учётом традиционных материалов, используемых для создания этих устройств», - говорит Аджаян.
В частности, исследователи пытались найти электролит, который проводит ионы между электродами батареи, которая не будет ломаться при высокой температуре. Друга сложность - как найти сепаратор, который не будет сокращаться при высоких температурах и приводить к короткому замыканию?. (Сепаратор содержит электролит на анодной и катодной сторонах традиционной батареи по отдельности, позволяя пропустить ионы).
«Нашим инновационным открытием стала нетрадиционная система электролита/сепаратора, которая остаётся стабильным при высоких температурах», сказала Аджаян.
Исследователи из Университета Райса во главе с Редди и Рэйчел Борхес (Rachel Borges) решили обе проблемы сразу. Во-первых, они исследовали ионные жидкости, плавящиеся при комнатной температуре (Room-Temperature Ionic Liquids, RTILs), разработанные в 2009 году европейскими и австралийскими исследователями. Эти жидкости показывают низкую проводимость при комнатной температуре, но становятся менее вязкими и более проводящими при нагревании.
По словам Редди, глина обладает высокой термической стабильностью, высокой сорбционной ёмкостью, большой площадью активной поверхности и высокой проницаемостью. Обычно она используется в растворах для бурения нефтяных скважин, в современном строительстве, в медицине, в качестве связывающего материала на сталелитейных заводах.
После смешения равного количества ионной жидкости и природной бентонитовой глины в композитную массу, исследователи поместили между слоями концентрированный оксид графена и два коллектора тока, чтобы сделать суперконденсатор. Тесты и изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, не показали никаких изменений в материале после нагрева до 200°С. На самом же деле, по словам Редди, не было замечено никаких перемен и при нагреве до 300 градусов.
Несмотря на некоторое падение мощности, наблюдаемое в начале циклов заряда/разряда, суперконденсаторы оставались стабильными в течение 10000 испытаний. И энергия, и удельная мощность были улучшены на два порядка, когда температура увеличилась от комнатной до 200 градусов.
По материалам Science World Report.
Анастасия Полянская nauka21vek.ru