Исследователи из Сколтеха и Университета Аалто создали новый эластичный суперконденсатор

Он создан на основе электродов из однослойных углеродных нанотрубок.

Результаты совместного исследовательского проекта были недавно опубликованы в журнале Королевского химического общества – RSC Advances. В процессе разработки новейшего устройства были использованы пленки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), обладающие превосходными оптоэлектрическими и механическими свойствами, которые выступали в качестве токоотводов, а также в роли активных электродов эластичного суперконденсатора. Прозрачный эластичный суперконденсатор был успешно реализован путем сборки двух электродов, состоящих из подложки полидиметилсилоксана (ПДМС) и ОУНТ электродов, нанесенных на нее, а также гелевого электролита, расположенного между ними (левое изображение, Рис. 1).

ОУНТ обладают множеством уникальных свойств, которые являются полезными для широкого спектра применений, в том числе для нового развивающегося направления эластичной электроники. Пленки обладают исключительно высокими значениями модуля упругости и предела прочности при растяжении и являются самыми крепкими из известных наноматериалов. ОУНТ пленки обладают высокой пористостью и удельной площадью поверхности, а также высокой прозрачностью и гибкостью. Кроме того, ОУНТ могут пропускать высокие токи, что делает их идеальными кандидатами для замены таких материалов, как медь и алюминий в быстро заряжающихся/разряжающихся цепях. В исследовании, проведенном учеными, ОУНТ были синтезированы аэрозольным методом газофазного химического осаждения на основе разложения паров ферроцена в атмосфере монооксида углерода (центральное изображение, Рис.1). Такие ОУНТ, собранные в реакторе на нитроцеллюлозный фильтр, могут быть легко перенесены на любую поверхность, в том числе и на эластичные подложки, такие как ПДМС.

Одной из ключевых особенностей, изготовленных в данном исследовании устройств, является использование особенного типа – гелевого – электролита на основе поливинилового спирта и серной кислоты. Такой выбор электролита обусловлен тем, что широко используемые электролиты, как правило, являются жидкими и они, таким образом, не пригодны для использования в эластичных суперконденсаторах из-за проблем, связанных с утечкой жидкого электролита. После изготовления, эластичный суперконденсатор был охарактеризован с помощью потенциостата-гальваностата. Устройство суперконденсатора может быть согнуто, сложено, и даже растянуто без видимых изменений в его производительности, а также прозрачность такого устройства составляет 75% (правое изображение, Рис .1).

screen-shot-2016-11-24-at-10-01-27-amДля улучшения характеристик устройства суперконденсатора исследователи разработали подход, основанный на нанесении гелевого электролита на ОУНТ пленку, находящуюся в заранее растянутом положении (Рис. 2 а). При использовании такого подхода, ученые получили такую структуру суперконденсатора, которая может быть растянута до 120% без существенного изменения емкости даже после 1000 циклов растяжения и после 1000 циклов заряда-разряда (Рис.2 б, в). Для такого подхода, основанного на предварительном растяжении электродов, вычисленная удельная емкость прибора составила 17,5 Ф г-1, что выше, чем значение, полученное при использовании жидкого или гелевого электролита без предварительного растяжения, а также по сравнению с последними известными полученными результатами.

screen-shot-2016-11-24-at-10-01-18-amТакая конфигурация позволила растянуть суперконденсатор, преодолевая ограничение, возникающее для обычных конфигураций суперконденсаторов, в которых два электрода начинают сдвигаться относительно сепаратора при растяжении. «Характеристики суперконденсаторов при растяжении до 120% остаются неизменными даже в состоянии максимального растяжения, а также после 1000 циклов растяжения. Пленки ОУНТ, устойчивые к растяжению, могут найти широкое применение для новой эластичной электроники, при создании электродов в устройствах для накопления энергии. Такая высокая эластичность, в сочетании с прозрачностью и высокой удельной емкостью позволяет утверждать, что полученные суперконденсаторы имеют большой потенциал для будущего практического применения в носимой электронике», – подтверждает Альберт Насибулин, один из соавторов и профессор Сколковского Института Науки и Технологий.

Исследовательская статья доступна по ссылке: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/RA/c6ra20319a

Эластичные и прозрачные суперконденсаторы на основе пленок аэрозольных однослойных углеродных нанотрубок, Evgenia P. Gilshteyn, Tanja Kallio, Petri Kanninen, Ekaterina O. Fedorovskaya, Anton S. Anisimov and Albert G. Nasibulin, RSC Adv., 2016, 6, 93915, DOI: 10.1039/c6ra20319a.

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK