Новый энергоаккумулирующий материал также может быть использован для создания электронных гаджетов.
Представьте себе смартфон в корпусе, который служит не только для защиты, но и одновременно является резервуаром электричества, или электромобилем, двери и пол которого накапливают энергию, чтобы двигать его вперед. Такие технологии однажды могут стать реальностью благодаря недавней работе инженеров Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Исследователи разработали так называемый структурный суперконденсатор — устройство, которое обеспечивает как структурную поддержку, так и возможности хранения энергии . Такое устройство могло бы увеличить мощность электронных гаджетов и транспортных средств, не добавляя при этом лишнего веса, что позволит им дольше работать без подзарядки.
Хотя концепция структурных суперконденсаторов не совсем нова, создание единого устройства, которое бы превосходно переносило механические нагрузки и эффективно сохраняло электрическую энергию , было давней задачей. Традиционные суперконденсаторы отлично подходят для хранения энергии, но им не хватает механической прочности, чтобы служить структурными компонентами. С другой стороны, конструкционные материалы могут обеспечить поддержку, но не справляются с задачей хранения энергии.
Теперь команда под руководством Це Нга (Тины) Нг в сотрудничестве с Синью Чжаном, профессорами электротехники и компьютерной техники в Калифорнийском университете в Сан-Диего, добилась лучшего из обоих миров в новом структурном суперконденсаторе, о чем недавно сообщалось в журнале Science Advances .
В качестве доказательства концепции исследователи использовали свой структурный суперконденсатор для создания миниатюрной лодки на солнечной энергии. Суперконденсатор был отлит в форме корпуса лодки, а затем снабжен небольшим двигателем и схемой. Схема была подключена к солнечному элементу. Под воздействием солнечного света солнечный элемент заряжает суперконденсатор, который, в свою очередь, приводит в действие мотор лодки. В ходе испытаний лодка смогла путешествовать по воде, продемонстрировав эффективность этого инновационного решения для хранения энергии.
Устройство состоит из стандартных компонентов суперконденсатора: пары поверхностей электродов, разделенных электролитом, который облегчает поток ионов между электродами. Что отличает это устройство, так это сочетание материалов, выбранных для повышения как механической прочности, так и электрохимических характеристик.
Электроды изготовлены из углеродных волокон, вплетенных в ткань. Эта ткань из углеродного волокна сама по себе обеспечивает значительную структурную прочность. Кроме того, он покрыт специальной смесью, состоящей из проводящего полимера и восстановленного оксида графена, что значительно увеличивает поток ионов и емкость хранения энергии.
Твердый электролит , еще один важный компонент, представляет собой смесь эпоксидной смолы и проводящего полимера, называемого полиэтиленоксидом . Эпоксидная смола обеспечивает структурную поддержку, а включение полиэтиленоксида способствует подвижности ионов, создавая сеть пор по всему электролиту.
Ключевой особенностью конструкции здесь является то, что концентрация полиэтиленоксида варьируется в зависимости от электролита, создавая так называемые градиенты концентрации. Области, прилегающие к электродам, характеризуются более высокой концентрацией полиэтиленоксида. Такая конфигурация помогает ионам течь быстрее и свободнее на границе раздела электрод-электролит, повышая электрохимические характеристики.
Однако более высокая концентрация полиэтиленоксида приводит к увеличению количества пор, что ослабляет материал. Чтобы обеспечить баланс, центральная область электролита выполнена с более низкой концентрацией полиэтиленоксида, что гарантирует структурную поддержку, сохраняя при этом эффективный поток ионов.
«Эта градиентная конфигурация является способом достижения оптимальных характеристик электролита», — сказал Нг. «Вместо того, чтобы использовать конфигурацию с одним электролитом, мы структурировали ее так, чтобы края, соприкасающиеся с электродами, имели более высокие электрические характеристики, а середина была механически прочнее».
Хотя это представляет собой значительный прогресс в области структурного хранения энергии , исследователи отмечают, что предстоит еще много работы. Суперконденсаторы, как правило, имеют высокую плотность мощности, что означает, что они могут быстро доставлять большие всплески энергии, но обычно имеют более низкую плотность энергии по сравнению с батареями.
«Наша будущая работа будет сосредоточена на увеличении плотности энергии нашего суперконденсатора и обеспечении его сопоставимости с некоторыми аккумуляторными блоками», — сказала первый автор исследования Лулу Яо, доктор философии в области материаловедения и инженерии. студент в лаборатории Нг. «Конечная цель состоит в том, чтобы достичь как более высокой плотности энергии, так и плотности мощности».
Теги: батарея, графен, полимеры
