Создан прототип суперконденсатора, превосходящий традиционные аккумуляторы!
Опубликовано: 07.01.2019
Около сорока лет у электрохимических аккумуляторов появились конкуренты — суперконденсаторы, называемые также ионисторами и ультраконденсаторами. Эти накопители электроэнергии довольно быстро нашли применения в небольших нишах (самая крупная из них — электротранспорт), но не смогли пробиться на широкие отраслевые просторы, занятые традиционными аккумуляторными батареями (АБ).
Главное преимущество суперконденсаторов — малое время заряда (несколько секунд), что выгодно отличает их от АБ, которым для заряда требуются часы. Однако в плотности запасенной энергии и длительности хранения заряда (довольно быстрый разряд) суперконденсаторы заметно уступают аккумуляторам, что и ограничивает их распространение. Исследователи уже давно поняли, что решение по устранению этих недостатков суперконденсаторов находится в области разработки новых электродов, и десятилетиями работали над этой проблемой. И вот недавно выяснилось, что идеальным материалом для электродов суперконденсаторов, который позволит им превзойти аккумуляторы по всем показателям, является один из материалов семейства так называемых «максенов» (MXenes), которые были впервые в мире синтезированы в 2011 году в Институте наноматериалов Университета Дрекселя в Филадельфии (A.J. Drexel Nanomaterials Institute).
Эти материалы подобно графену представляют собой двумерные (одноатомной толщины) пленки, изготовленные из карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов. В настоящее время американские материаловеды синтезировали около двух десятков разновидностей максенов и изучают возможности их применения в электронике, медицине, системах очистки питьевой воды, в двигателестроении и, конечно же, в суперконденсаторах — направлении, которое с момента основания Института наноматериалов в 2003 году является приоритетным.
Новые электроды для суперконденсатора изготавливаются из нескольких слоев пленок карбида титана одноатомной толщины («сэндвич» из 10-ти таких пленок тоньше бумажного листа). Такая структура электрода обеспечивает его экстремально развитую поверхность (слоистая структура MXene весом 100 г имеет общую площадь более 23 тыс. кв. м — 5 футбольных полей!), благодаря чему ее удельная емкость достигает 900 ф/см. куб.
Система максеновых электродов, заполненная новыми электролитами может работать при температурах от -50 до + 100 градусов Цельсия, выдерживает более чем 10 тыс. циклов заряда/разряда без заметного изменения начальной емкости, заряжается за десятки миллисекунд, что обеспечивает возможности создания аккумуляторов-ионисторов, которые будут характеризоваться сверхкороткими интервалами времени заряда — до нескольких секунд, обладая при этом сверхвысоким накоплением электроэнергии.
На карбид-титановый максен и электрод из него подано 10 заявок на патенты США и международные патенты. Опытный образец «революционного материала» получен в реакторе, разработанном и изготовленном в Институте проблем материаловедения НАН Украины.