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.
— 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.
— 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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Радиационная «бомба замедленного действия» обнаружена в Чернобыле: и они до сих пор готова «взрываться»
Новые опыты покажут, каким будет зона отчуждения для следующих поколений...
После чудовищного Эль-Ниньо наш мир, возможно, уже не будет прежним
Первой жертвой будет Амазония, но это, как говорят ученые, только начало...
«Мы научили медведей видеть в нас добычу»: биолог рассказал, почему хищники нападают на людей по всей России
По словам ученого, совпало сразу несколько факторов, поэтому решить проблему будет сложно...
«Мясной фарш» для Гитлера: как виртуозная операция в 1943 году решила ход битвы за Италию
Дерзко, остроумно и с огромной долей везения: британский план висел на волоске, но Лондону помогли… сами немцы...
Шуховскую башню в Москве начали разбирать: почему правнук великого русского инженера против такой «реконструкции»?
Где главный промах московских властей и чем восстановление отличается реконструкции?...
Крестик XII века показал, настолько ученые ошибались в истории древнего Смоленска
Скромный артефакт из редкого материала оказался для археологов дороже серебряного клада...
Пустая еда: почему за 60 лет наши продукты потеряли половину полезных веществ и микроэлементов
По словам исследователей, мир находится в состоянии скрытого голода: калорий, вроде бы, хватает, а витаминов и минералов нет...
Самое древнее кораблекрушение в истории: что нашли турецкие ученые на судне, которое утонуло 4600 лет назад?
Подобные артефакты в свое время находили не только в легендарной Трое, но и рядом с Великой пирамидой в Египте...
Монетный детектив: российский ученый 10 лет охотился за распроданными сокровищами и раскрыл тайну древнего царства на Боспоре
Пожалуй, это одна из самых интересных исторических загадок, раскрытых в последнее время...
Кто на самом деле сделал Терракотовую армию: историческую сенсацию рассмотрели в отпечатках на древней глине
Поразительно, но открытие китайских ученых перекликается с исследованиями по Древнему Египту и Ближнему Востоку...
Таинственные траншеи в Австралии помогут открыть скрытые пещеры на Марсе
Равнина, которая 14 миллионов лет без воды, подсказала ученым, как расшифровывать фотографии с Красной планеты...
Почему ледник Судного дня не перестанет таять, даже если остынут моря и океаны?
Новое исследование показало: у Антарктиды есть поразительные сценарии будущего, от которых зависит судьба всего мира...