Команда, работающая с Роландом Фишером, профессором неорганической и металлоорганической химии Мюнхенского Технического университета (TUM), разработала высокоэффективный суперконденсатор. Основой накопителя энергии является новый, мощный и в то же время устойчивый графеновый гибридный материал, который имеет сопоставимые эксплуатационные характеристики с используемыми в настоящее время батареями.

Обычно накопление энергии связано с батареями и аккумуляторами, которые обеспечивают энергией электронные устройства. Однако в ноутбуках, камерах, мобильных телефонах или автомобилях в наши дни все чаще устанавливаются так называемые суперконденсаторы.

В отличие от батарей, они могут быстро накапливать большое количество энергии и так же быстро гасить ее. Если, например, поезд тормозит при входе на станцию, суперконденсаторы накапливают энергию и обеспечивают ее снова, когда поезд очень быстро нуждается в большом количестве энергии при запуске.

Однако одной из проблем суперконденсаторов на сегодняшний день является их недостаточная плотность энергии. В то время как литиевые аккумуляторы достигают плотности энергии до 265 киловатт-часов (кВт/ч), суперконденсаторы до сих пор обеспечивают лишь десятую ее часть.

Устойчивый материал обеспечивает высокую производительность

Команда, работающая с Химиком TUM Роландом Фишером, в настоящее время разработала новый, мощный и устойчивый графеновый гибридный материал для суперконденсаторов. Он служит положительным электродом в накопителе энергии. Исследователи объединяют его с проверенным отрицательным электродом на основе титана и углерода.

Новый накопитель энергии не только достигает плотности энергии до 73 Втч/кг, что примерно эквивалентно плотности энергии никель-металлгидридной батареи, но и работает намного лучше, чем большинство других суперконденсаторов при плотности мощности 16 кВт/кг. Секрет нового суперконденсатора заключается в сочетании различных материалов—поэтому химики называют суперконденсатор "асимметричным".

Гибридные материалы: природа-образец для подражания

Исследователи делают ставку на новую стратегию преодоления пределов производительности стандартных материалов—они используют гибридные материалы. "Природа полна чрезвычайно сложных, эволюционно оптимизированных гибридных материалов-кости и зубы являются примерами. Их механические свойства, такие как твердость и эластичность, были оптимизированы благодаря сочетанию различных материалов по своей природе", - говорит Роланд Фишер.

Абстрактная идея объединения базовых материалов была перенесена исследовательской группой на суперконденсаторы. В качестве основы они использовали новый положительный электрод накопителя с химически модифицированным графеном и объединили его с наноструктурированным металлорганическим каркасом, так называемым MOF.

Мощный и стабильный

Решающими для производительности графеновых гибридов являются, с одной стороны, большая удельная поверхность и контролируемые размеры пор, а с другой-высокая электропроводность. "Высокая производительность материала основана на сочетании микропористых МОФ с проводящей графеновой кислотой", - объясняет первый автор Джаярамулу Коллебойина, бывший приглашенный ученый, работавший с Роландом Фишером.

Большая поверхность важна для хороших суперконденсаторов. Он позволяет собирать в материале соответственно большое количество носителей заряда-это основной принцип хранения электрической энергии.

Благодаря искусному дизайну материалов исследователи добились успеха в соединении графеновой кислоты с МОФ. Полученные гибридные МОФ имеют очень большую внутреннюю поверхность до 900 квадратных метров на грамм и высокоэффективны в качестве положительных электродов в суперконденсаторе.

Долгосрочной стабильности

Однако это не единственное преимущество нового материала. Для получения химически стабильного гибрида необходимы прочные химические связи между компонентами. По словам Фишера, эти связи, по-видимому, такие же, как и между аминокислотами в белках: "на самом деле мы соединили графеновую кислоту с МОФ-аминокислотой, которая создает тип пептидной связи."

Стабильная связь между наноструктурированными компонентами имеет огромные преимущества с точки зрения долгосрочной стабильности: чем стабильнее связи, тем больше циклов зарядки и разрядки возможно без значительного ухудшения производительности.

Для сравнения: классический литиевый аккумулятор имеет срок службы около 5000 циклов. Новая клетка, разработанная исследователями TUM, сохраняет почти 90-процентную емкость даже после 10 000 циклов.

Международная сеть экспертов

Фишер подчеркивает, насколько важным было свободное международное сотрудничество, которое исследователи контролировали сами, когда дело дошло до разработки нового суперконденсатора. Соответственно, Джаярамулу Коллебойина построил команду. Он был приглашенным ученым из Индии, приглашенным Фондом Александра фон Гумбольдта и в настоящее время возглавляющим химический факультет недавно созданного Индийского технологического института в Джамму.

"Наша команда также сотрудничала с экспертами по электрохимии и исследованиям аккумуляторных батарей в Барселоне, а также с экспертами по производным графена из Чешской Республики", - сообщает Фишер. - Кроме того, у нас есть интегрированные партнеры из США и Австралии. Это замечательное международное сотрудничество обещает многое в будущем."

ИСТОЧНИК