Исследователи из Сколтеха и Университета Аалто (Финляндия) создали новый эластичный суперконденсатор 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).

Picture 1. Schematic image of fabrication process (left), SEM image of SWCNTs (center), photo of fabricated transparent supercapacitor (right).

Рис. 1. Схематичное изображение процесса изготовления (слева), СЭМ-изображение пленки ОУНТ (в центре), фотография изготовленного суперконденсатора (справа).

Для 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.

Pict. 2. (a) Scheme of gel electrolyte deposition on pre-stretched SWCNTs on PDMS, (b) Cyclic voltammogramms of TSS made of pre-stretched electrodes at zero applied strain, 40% strain, at first cycle of stretching to 120% and after 1000 cycle of stretching to 120%, (c) cyclic voltammogram of the TSS before and after 1000 cycles between -0.8 and 0.8 V.

Рис. 2. (a) Cхема нанесения гелевого электролита на предварительно растянутую пленку ОУНТ на ПДМС, (б) циклические вольтамограммы суперконденсаторов в нерастянутом состоянии, при 40% растяжении, при первом цикле растяжения до 120% и после 1000 цикла растяжения до 120%, (в) циклические вольтамограммы суперконденсаторов до и после 1000 цикла зарядки-разрядки.

Такая 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.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

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