В России разработали новый материал для суперконденсаторов

МОСКВА, 31 авг – РИА Новости. Ученые ОмГТУ совместно с коллегами из ОНЦ СО РАН усовершенствовали материал для энергонакопительных устройств. По их словам, предложенный композит на основе углеродных нанотрубок может накапливать в пять раз больше заряда, чем стандартно используемый. Результаты исследования опубликованы в журнале "Физика твердого тела".

Суперконденсаторы (или ионисторы) – достаточно новый и перспективный вид энергонакопительных устройств. Их удельная емкость (количество накапливаемого заряда на единицу массы) в 100 тысяч раз и более превышает емкость обычных конденсаторов. По сравнению с литийионными аккумуляторами они способны значительно быстрее накапливать и отдавать накопленный заряд, обеспечивая тем самым высокую мощность.

Как объяснили специалисты, благодаря этому суперконденсатор может применяться как источник резервного питания для такого аккумулятора, обеспечивая его стабильную работу в момент пиковых нагрузок. Например, в момент быстрого набора высоты беспилотным летательным аппаратом суперконденсатор способен сгладить "просадку" напряжения в системе электропитания.

В настоящее время такие устройства применяются в качестве источников питания в предпусковых устройствах для "холодного" старта двигателей, импульсных излучателей и даже электронных замков, а также в качестве источников основного и дополнительного питания электротранспорта. Возможность быстрой зарядки суперконденсаторов позволяет эффективно использовать их в системах рекуперации энергии, выделяемой при торможении электротранспорта.

Ученые Омского государственного технического университета (ОмГТУ) сообщили, что традиционно для изготовления электродов суперконденсаторов применяются различные углеродные материалы. Они обладают высокой электропроводностью, но не имеют способности накапливать большой заряд.

Среди таких материалов выделяется особый вид – углеродные нанотрубки, высокая прочность и гибкость которых делают их привлекательными для формирования новых композитов.

С другой стороны, исследователи отметили, что оксиды некоторых переходных металлов (рутения, марганца, никеля, кобальта) могут обладать значительно большей удельной емкостью, но в чистом виде в качестве электродного материала суперконденсаторов их не используют из-за высокого электросопротивления. Специалисты ОмГТУ предложили распределять оксиды металлов по поверхности углеродных нанотрубок, что позволит решить эту проблему и одновременно повысить площадь активной поверхности электродного материала, а следовательно, повысить и удельную емкость.

«

"В нашей работе мы покрывали поверхность углеродных нанотрубок сплошными слоями оксида марганца. Это позволило повысить количество заряда, который способен запасать материал, в 3–4 раза в зависимости от величины разрядного тока", – рассказал доцент кафедры физики ОмГТУ Сергей Несов.

По его словам, дальнейшая термическая обработка композитного материала приводит к преобразованию сплошных слоев оксида марганца в наночастицы размером не более 20 нанометров, которые прочно закрепляются на поверхности углеродных нанотрубок за счет образования химических связей. Удельная емкость такого материала при этом повышается практически пятикратно по сравнению с "чистыми" углеродными нанотрубками.

Аналитический комплекс для исследования химического состояния материалов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

1 из 5

Камера анализа аналитического комплекса для исследования химического состояния материалов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

2 из 5

Подключение электрохимической ячейки к измерительному устройству (потенциостат-гальваностат) для анализа характеристик материала

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

3 из 5

Измерение электрохимических характеристик лабораторного макета суперконденсатора

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

4 из 5

Передача образца из камеры подготовки в камеру анализа для исследования структуры методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

5 из 5

Аналитический комплекс для исследования химического состояния материалов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

1 из 5

Камера анализа аналитического комплекса для исследования химического состояния материалов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

2 из 5

Подключение электрохимической ячейки к измерительному устройству (потенциостат-гальваностат) для анализа характеристик материала

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

3 из 5

Измерение электрохимических характеристик лабораторного макета суперконденсатора

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

4 из 5

Передача образца из камеры подготовки в камеру анализа для исследования структуры методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

© Фото : пресс-служба Омского государственного технического университета

5 из 5

Ученые считают, что полученные в работе результаты расширяют базу экспериментальных сведений о структуре и свойствах наноматериалов, а разработанные лабораторные технологии получения эффективных электродных материалов для суперконденсаторов могут быть достаточно быстро масштабированы до полупромышленного и промышленного производства.

Дальнейшие исследования по данной тематике будут направлены на разработку материалов для создания эффективных суперконденсаторов с высокой удельной емкостью и стабильностью характеристик. Кроме этого, уже в настоящее время ведутся работы по изготовлению экспериментальных образцов суперконденсаторов с электродами на основе разработанного композитного материала.

Часть исследований выполнена с применением технопарков Санкт-Петербургского государственного университета, НИЦ "Курчатовский институт", а также оборудования лаборатории технологии химических источников тока Омского научного центра СО РАН.

ОмГТУ является участником государственной программы поддержки вузов "Приоритет-2030". Разработка ведется в рамках стратегического проекта ОмГТУ "Сверхширокополосная СВЧ-микроэлектроника".