Ученые из Томского политехнического университета в соавторстве с китайскими коллегами разработали микросуперконденсатор, демонстрирующий работоспособность в широком температурном диапазоне – от -30 до +80 градусов Цельсия. При этом он сохраняет не менее 75,5% первоначальной емкости заряда. В перспективе, эта технология может послужить основой для разработки высокоэффективных гибких накопителей энергии, предназначенных для эксплуатации в условиях, близких к экстремальным.
Исследование ученых и его результаты были опубликованы в журнале Journal of Power Sources (Q1, IF: 7,9).
В настоящее время микроконденсаторы представляются наиболее многообещающим видом миниатюрных устройств, предназначенных для накопления энергии. Эти компоненты характеризуются высокой производительностью, стабильностью во время циклов заряд-разряд и скоростью зарядки. Основная трудность, с которой сталкиваются современные гибкие аккумуляторы, – снижение эффективности при воздействии неблагоприятных факторов: электролиты могут замерзать при низких температурах или испаряться в условиях жары.
Ученые из Томского политехнического университета в соавторстве с китайскими исследователями разработали новый вид гибкого плоского микросуперконденсатора. Его структура включает двумерный однослойный слой дисульфида молибдена, размещенный на восстановленном оксиде графена (RGO), и гидрогелевый электролит. Наноструктуры MoS 2 имеют форму цветов, что резко увеличивает площадь полезной поверхности и количество активных центров для хранения заряда. Электролит изготовлен на основе полиакриламида и трегалозы (природного сахара) с добавлением хлорида лития. Трегалоза образует прочные водородные связи с полимерными цепями и молекулами воды. Это одновременно предотвращает образование льда при отрицательных температурах и замедляет испарение влаги при нагреве
«Современные носимые электронные устройства должны соответствовать ряду строгих требований, включая наличие достаточного запаса энергии, гибкость, малый вес и устойчивость к температурным колебаниям и движениям. Разработанная технология отличается высокой удельной емкостью и надежностью, а также использует доступные материалы, что открывает возможности для ее массового производства, — отметил один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Энергоемкость конструкции, созданной политехниками, достигает 15,0 МВт·ч на кубический сантиметр. Кроме того, исследователи провели испытания на изгиб для новых суперконденсаторов, в ходе которых было установлено, что после 8000 циклов он сохраняет свыше 88% емкости при комнатной температуре и более 75,5% емкости в широком температурном диапазоне. Следовательно, данная разработка может функционировать стабильно в условиях температур от -30 до +80 градусов Цельсия.
Для работы в реальных схемах конденсаторы можно объединять последовательно или параллельно, чтобы повысить напряжение и силу тока. Реализовать такие соединения достаточно просто и экономично, благодаря применению технологии струйной печати.
«По словам ученого, данная технология находит применение в тех областях, где необходимы гибкость, безопасность и способность функционировать при колебаниях температуры. К таким областям относятся, в частности, носимая электроника, медицинские мониторы и компактные источники бесперебойного питания.
В перспективе исследователи намерены улучшить характеристики материалов электродов и состав гидрогелевого компонента, чтобы повысить энергетическую емкость и срок службы микроконденсатора, предназначенного для использования в практических условиях.
В научном исследовании были задействованы специалисты из научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, а также Университета электронных наук и технологий Китая.
Сообщение поступило из пресс-службы Томского политехнического университета