Российская разработка позволит улучшить суперконденсаторы

Повысить энергоэффективность суперконденсаторов в альтернативной энергетике поможет новый композитный материал из многослойных углеродных нанотрубок, рения и оксида марганца. Его разработали ученые омского научного центра сибирского отделения ран и Санкт-Петербургского государственного университета.


Углеродные нанотрубки являются цилиндрической структурой, созданной из графена. Они имеют высокую прочность и плотность, при этом их толщина менее человеческого волоса. При добавлении небольших объемов нанотрубки способны улучшать характеристики среды. Ранее уже проводились эксперименты по добавлению нанотрубок в различные материалы, чтобы придать им больше прочности и эффективности.

Ученые СПбГУ разработали новые способы повышения эффективности суперконденсаторов за счет использования комбинации многослойных нанотрубок и оксидов переходных металлов.

Один из подходов - увеличение площади поверхности, обеспечивающей энергетическую эффективность электрода.

Обычно в качестве основы электродов промышленных суперконденсаторов используют различные виды углерода (сажа, активированный углерод, технический углерод, графен, углеродные нанотрубки и другие варианты), обладающие высокой удельной площадью поверхности.

В последнее время для повышения энергоэффективности и стабильности суперконденсаторов ученые разрабатывают гибридные материалы, которые накапливают энергию как за счет двойного электрического слоя, так и благодаря обратимым электрохимическим процессам, протекающим на поверхности электродов при наличии, например, оксидов переходных металлов (оксиды кобальта, ванадия, рутения и др.).

Особое внимание ученых привлекают оксиды марганца, обладающие высокой удельной емкостью, низкой токсичностью и себестоимостью производства.

Ученые создали композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок и оксида марганца с добавкой тяжелого металла рения.

Этот материал отличается высокими показатели емкости - накапливаемого заряда на единицу массы.

Именно этот показатель характеризует эффективность подобных материалов.

Во время эксперимента ученые наносили на поверхность нанотрубок слои оксида марганца, затем проводили температурные обработки для кристаллизации и формирования наночастиц.

Это позволило увеличить удельную емкость более чем в 2 раза, однако данный показатель быстро снижался.

Повысить электрохимические свойства удалось за счет подбора оптимальной температуры обработки композита и последующего добавления оксида тяжелого метала рения, имеющего несколько степеней окисления, как и марганец.

Как показали эксперименты, оксид рения закреплялся преимущественно вблизи наночастиц марганца и позволил увеличить долю электрохимически активного оксида марганца MnO2 путем доокисления MnOх.

Благодаря этому ученым удалось сделать материал более стабильным при циклических испытаниях заряда-разряда.

Такой эффект получился благодаря синергетическому эффекту, достигаемому за счет сочетания свойств оксидов марганца и рения, а также углеродных нанотрубок.

С одной стороны, это приводит к увеличению вклада обратимых электрохимических процессов в удельную емкость, с другой - позволяет заметно увеличить вклад двойного электрического слоя при накоплении заряда.

Полученные учеными СПбГУ результаты позволят значительно повысить эффективность источников импульсной мощности, которые генерируют большое количество энергии в короткий срок.

Сегодня суперконденсаторы используются в альтернативной энергетике, транспортных системах, накопителях энергии в домашних хозяйствах и других отраслях науки и техники.

Повышение их энергоэффективности важно для многих сфер, поскольку генерация мощного импульса энергии - главная задача суперконденсаторов.

Результаты исследования опубликованы в швейцарском научном журнале Applied Sciences.