Цивилизация
Суперконденсатор, или ионистор, – это устройство, которое потенциально может заменить аккумуляторы в электронике будущего. Преимущества суперконденсатора — высокая скорость зарядки и разрядки и высокая плотность энергии. Недостаток на данном этапе — недостаточная емкость. Однако эту проблему ученые предполагают решить с помощью графена, за открытие которого физики российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию.
Ричард Канер и его группа из университета штата Калифорния в городе Лос-Анджелес (США) предложили новый способ получения графена и изучили свойства суперконденсатора на его основе. Согласно данным статьи, опубликованной в журнале Science,
оказалось, что с помощью DVD-привода из графена можно сделать гибкий ионистор, по емкости приближающийся к теоретическому пределу для графена и не теряющий своих качеств при длительном использовании.
Ионистор — это конденсатор с органическим или водным электролитом, обкладкой в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. В связи с тем что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между обкладками конденсатора) очень мала, а удельная площадь поверхности электрода очень велика, запасенная ионистором энергия оказывается выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. Именно этим и определяются его уникальные свойства. Обычный конденсатор, состоящий из двух электродов в форме пластин (собственно, и называемых обкладками) из металлической фольги, разделенных диэлектриком малой толщины, имеет емкость от пикофарад до микрофарад — больше заряда накопиться на поверхности раздела «проводник-диэлектрик» не может. А в суперконденсаторах вместо фольги используется пористый углерод. Особенность этого материала в его очень высокой удельной поверхности – до тысяч кв. м на грамм, то есть в крупинке этого материала скрыта площадь нескольких стадионов. Такой суперконденсатор может накопить гораздо больше заряда: относительно небольшой аппарат (размером с банку колы) имеет емкость в несколько тысяч фарад, то есть на 10 порядков больше, чем твердотельные конденсаторы.
В этом смысле графен — идеальный кандидат в электроды. Как известно, он представляет собой одноатомный слой из атомов углерода, то есть его толщина почти нулевая, и весь он — одна большая поверхность.
«Наше исследование показало, что
новые суперконденсаторы на основе графена способны запасать те же объемы энергии, что и обычные аккумуляторы, однако заряжаются и разряжаются в 100–1000 раз быстрее»,
— подчеркнул профессор Ричард Канер.
Источник графена был достаточно обычным — оксид графита, твердое вещество, в котором графитовые слои покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит ранее предлагали расслаивать на отдельные графеновые листы под действием ультразвука в водяном растворе. Однако полученный таким образом графен обладал пониженной электрической проводимостью, хотя и обладал прекрасными механическими и оптическими свойствами (по сравнению с полученным обычным «методом скотча», который демонстрировал Константин Новоселов).
«Ноу-хау» американских ученых состоит в «изгнании» атомов кислорода из оксида графита с помощью DVD-привода, способного записывать компакт-диски. Компакт-диск покрывали раствором оксида графита, который давал тонкую пленку при высыхании.
Затем в DVD-дисководе «графитированный» диск обрабатывали с помощью программ записи, поддерживающих технологию нанесения рисунков LightScribe.
Так оксид графита внутри пленки превращался в монослои графена, хорошо отделенные друг от друга. Гибкий ионистор, сделанный на основе этого материала, прошел длительные испытания. Оказалось, что тысяча сгибаний и разгибаний не снижают его емкость, а десять тысяч циклов зарядки-разрядки снижают ее всего на 3,5%.
За 4 месяца непрерывных тестов производительность ионистора не изменилась.
В сочетании с емкостью, сравнимой с обычными аккумуляторами, а также дешевизной технологии изобретение может стать прекрасным источником питания для гибких дисплеев и других миниатюрных электронных приборов, полагают исследователи.