Электрохимические конденсаторы (ЭК), также известные как суперконденсаторы или ультраконденсаторы, отличаются от обычных конденсаторов, которые можно найти в телевизорах или компьютерах, тем, что могут довольно долго хранить большой заряд. Как устройства хранения энергии они привлекают внимание, прежде всего, скоростью заряда/разряда, которая выше чем у аккумуляторов, хотя по удельной плотности энергии ЭК пока еще заметно проигрывают. Появление электрохимических конденсаторов, сочетающих в себе электрические свойства обычных конденсаторов и удельную емкость аккумуляторов, дало бы мощный толчок развитию технологии хранения энергии. Для этого требуется разработать электроды, которые не только обладали бы высокой проводимостью, но и имели еще бóльшую и доступную площадь поверхности, в отличие от обычных ЭК, где применяются электроды из активированного угля.
Для изготовления таких электродов исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовали стандартный DVD-привод, поддерживающий технологию LightScribe. Эти электроды состоят из разреженной графеновой сетки – слоя графитообразного углерода толщиной в один атом. Такая сетка имеет превосходные механические и электрические свойства и исключительно большую площадь поверхности.
Процесс получения графеновых электродов заключался в нанесении на DVD диск слоя окиси графита, который затем подвергался воздействию лазера внутри LightScribe DVD привода. Обычно устройства хранения энергии оценивают двумя основными характеристиками – удельной емкостью и удельной мощностью. Предположим, мы используем такое устройство для того, чтобы привести в движение электромобиль. Удельная емкость покажет, как далеко сможет проехать машина на одной зарядке, тогда как от удельной мощности будет зависеть то, как быстро автомобиль будет перемещаться. В данном случае устройства с электродами из гравированного лазером графена (Laser Scribed Graphene или LSG) демонстрируют сверхвысокую удельную емкость в различных электролитах при большой удельной мощности и превосходной стабильности цикла ЭК. Более того, эти ЭК не теряют своих превосходных электрохимических свойств под воздействием сильных механических нагрузок, и поэтому, в перспективе, могут применяться в мощных, удобных электронных устройствах.
Группа исследователей сформировала LSG-электроды, не имеющие недостатков электродов из активированного угля, что до сих пор ограничивало возможности коммерческого использования ЭК. Во-первых, воздействие LightScribe лазера вызывает одновременное уменьшение и отслаивание окиси графита и способствует образованию открытой LSG сетки с существенно большей и более доступной удельной площадью поверхности. Это приводит к значительному увеличению емкости LSG суперконденсаторов. Открытая структура сетки электродов позволяет минимизировать траектории диффузии ионов электролита, что очень важно при зарядке устройства.
Во-вторых, LSG электроды устойчивы к механическим воздействиям и имеют высокую проводимость (более 1700 См /м), тогда как у электродов из активированного угля этот показатель составляет от 10 до 100 См/м. Это означает, что LSG электроды могут непосредственно использоваться в качестве электродов суперконденсаторов без необходимости применения дополнительных связующих и токосъемников, которые являются неотъемлемыми частями конструкции обычных ЭК. Кроме того, эти свойства позволяют LSG одновременно выполнять функции активного материала и токоприемника. Сочетание обеих функций в единственном слое упрощает архитектуру и делает LSG суперконденсаторы рентабельными.
Вместо жидкого электролита исследователи использовали полимерный электролит-гель, служивший также сепаратором, что позволило уменьшить толщину и вес устройства и упростить процесс производства, так как для этого не требуются специальные упаковочные материалы.
Поскольку столь замечательные свойства все же должны найти свое применение в коммерческих устройствах, такие LSG суперконденсаторы могли бы проложить дорогу к появлению идеальных систем хранения энергии для практичных портативных устройств следующего поколения.
