15 апр 2023 992

Суперконденсаторы становятся компактнее благодаря графену

По мере того как интеллектуальные устройства, носимые датчики, технологии IoT и имплантируемая электроника уменьшаются в размерах, то же самое должны делать и устройства хранения энергии, на которые они полагаются. Суперконденсаторы с высокой емкостью, способные выдерживать быстрые циклы заряда-разряда, в последние годы уменьшились до «микро» размеров. Ученые из Индии сообщили о создании самого маленького суперконденсатора. Создать устройство получилось благодаря использованию двумерных материалов: графена и дисульфида молибдена.

В то время как устройства предыдущего поколения, несмотря на их микронные размеры, имеют размеры ближе к миллиметровой шкале, мы добились уменьшения размеров на три порядка. Мы действительно подошли к микрометрической шкале

— Абха Мишра, профессор приборостроения и прикладной физики Индийского института науки в Бангалоре.

Суперконденсаторы представляют собой гибрид батареи и конденсатора. Конденсаторы запасают энергию, накапливая заряд на двух проводящих поверхностях, разделенных тонким изоляционным материалом. Как и батареи, суперконденсаторы состоят из двух электродов — обычно из углеродного материала. В суперконденсаторе электроды пропитаны жидким электролитом, который позволяет ионам проходить через них. При подаче напряжения ионы из электролита перемещаются на противоположно заряженные поверхности электродов. Заряд накапливается на границе между электродом и электролитом, образуя так называемый «двойной электрический слой». Это позволяет им быстро накапливать и доставлять большое количество энергии. Помимо быстрой зарядки и высокой мощности, суперконденсаторы также могут работать намного дольше, чем батареи.

Чтобы сделать крошечные суперконденсаторы для компактной электроники и датчиков, исследователи использовали графен в различных формах для электродов.

Люди обычно делают графеновые чернила и распыляют их на электроды. Этот процесс позволяет создать небольшие суперконденсаторы миллиметрового масштаба. Но функции устройства часто трудно контролировать, а напыление графена создает случайную структуру, что ограничивает емкость

— Абха Мишра.

Мишра и ее коллеги создали ультрамикросуперконденсатор с многослойными электродами. Каждый электрод состоит из нескольких чешуек дисульфида молибдена, покрытых чешуйками графена. После того как исследователи изготовили слоистые электроды на подложке из диоксида кремния, они покрыли их гелевым электролитом. Получившееся устройство имеет емкость 1,8 миллифарад на квадратный сантиметр.

Преимущество двумерных материалов в том, что они являются полупроводниками. Таким образом, каждый электрод представляет собой полевой транзистор. Когда исследователи подают напряжение на затвор из диоксида кремния, электроны притягиваются к поверхности материалов. Это втягивает ионы в пространство между листами дисульфида молибдена и графена. Так что теперь двойной электрический слой образуется не только на границе раздела электрод-электролит, но и между электродными слоями. Это увеличивает емкость в 30 раз до 54 mF/sm².

Для своего микронного размера новое устройство демонстрирует исключительно высокую емкость. Кроме того, новые суперконденсаторы обеспечивают более простую интеграцию с электронными чипами, поскольку в них используется гелевый электролит вместо жидкого.

Команда планирует создавать устройства с использованием других 2D-материалов, чтобы посмотреть, смогут ли они еще больше повысить емкость. О своем открытии ученые сообщили в недавнем выпуске журнала ACS Energy Letters.