
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

Планшет, пролежавший в Темзе пять лет, помог раскрыть серию запутанных преступлений
Эксперты говорят: даже вода не смогла стереть цифровые следы....

«Инопланетяне» на Земле? Древние 8-метровые «грибы» оказались совершенно неизвестной формой жизни
Вот уже 180 лет подряд живые «башни» ставят в тупик всю науку....

«Шерстистый дьявол» обнаружен в пустыне, на границе Мексики и США
Ученые говорят: такой уникальной находки не было последние полвека....

Похоже, что проблема космического мусора в скором времени будет решена раз и навсегда
Новая технология не только очистит космос, но и поможет спутникам работать втрое дольше....

Американские спецслужбы скрывают правду о самой древней из библейских реликвий?
Экстрасенс ЦРУ предупредил: Ковчег Завета убьет каждого, кто к нему прикоснется....

Почему мы не помним себя младенцами? Новое исследование дало ответы
Возможно, помним, но «ларчик» заперт....

Археологи ликуют: в Испании нашли рисунки, которые старше человечества!
200 000-летняя находка заставит пересмотреть учебники....

Астрофизики рассказали, почему Вселенная замедляется вопреки предсказаниям Эйнштейна
Если открытие DESI и ослабление темной энергии подтвердится, учебники придется переписать....

Ученые поражены: мыши, как спасатели, оживляют своих сородичей, попавших в беду
Открытие, от которого дрогнет даже самое черствое сердце....

Скрытые миллиарды: население Земли оказалось гораздо больше, чем считалось
Новые исследования бросают вызов официальным демографическим данным....

Кислород устарел! Ученые нашли новый ключ к внеземной жизни
Гицеанические миры могут стать новой надеждой астрофизиков....

На 100 000 лет раньше людей: ученые рассказали, кто устроил первые похороны на планете
Загадочные карлики Homo naledi, чей мозг был размером с апельсин, оказались не глупее нас с вами....

Секретная мутация гена: оказалось, ее имеют все обитатели Марианской впадины
Поразительное открытие китайских ученых может изменить всю теорию эволюции....

10 лет за 48 часов: ИИ полностью переиграл ученых в поисках секрета супербактерий
Однако эксперты предупреждают: нейросети не только ускоряют науку, они запросто могут столкнуть нас в пропасть....

Ученый рассказал, как использовались загадочные артефакты из гробницы Тутанхамона
Это было как в фильме «Мумия»: «Фараон должен воскреснуть!»...

Гигантский айсберг скрывал древнюю живую экосистему
Губки и кораллы благоденствуют на обнажившемся морском дне в месте, ранее недоступном взгляду....