Суперконденсаторы - это устройства для накопления энергии, которые дополняют аккумуляторные батареи и даже могут частично заменить их. Существующие суперконденсаторы не обладают достаточной плотностью энергии, поэтому их срок службы недостаточно велик. Новый подход к созданию суперконденсатора с "дышащим" электродом намного лучше. Как объясняет группа разработчиков в журнале Angewandte Chemie, они черпали вдохновение у ящерицы, которая берет с собой пузырек воздуха для дыхания, когда ныряет под воду.

Сегодня суперконденсаторы применяются для компенсации кратковременного отключения электроэнергии в таких учреждениях, как больницы или центры обработки данных, а также для буферизации скачков потребления электронных устройств. Суперконденсаторы, заряжающиеся за счет энергии торможения, помогают современным трамваям и автобусам экономить электроэнергию. Они также представляют все больший интерес для индустрии солнечной энергии для стабилизации колебаний напряжения.

В отличие от аккумуляторных батарей, суперконденсаторы являются "спринтерами" в области хранения энергии: они могут производить очень большие токи за очень короткое время (высокая плотность мощности). Однако они являются плохими "бегунами на длинные дистанции", поскольку даже при низком потреблении электроэнергии они работают недолго (низкая плотность энергии). Современные накопители электрической энергии должны сочетать в себе обе характеристики и иметь малый вес. К сожалению, до сих пор методы повышения плотности энергии всегда шли в ущерб плотности мощности - камень преткновения для развития суперконденсаторов.

Команда под руководством Лонга Чена, Ченга Ляня, Сянвэня Гао и Чуньчжуна Ли из Восточно-Китайского университета науки и технологии (Шанхай, Китай) и Оксфордского университета (Великобритания) приступила к решению этой проблемы. Их вдохновила маленькая ящерица. Ящерицы Anolis живут на суше, но могут дышать и под водой, когда ныряют в поисках пищи. Для этого они берут с собой пузырек воздуха, который прикрепляется к слою чешуи на их голове. Под водой они многократно вдыхают и выдыхают этот пузырь. Недавно разработанный электрод из пористых углеродных материалов (наиболее подходящими оказались многостенные углеродные нанотрубки с порами диаметром около 3 нм) также может удерживать слой газа, когда он погружен в раствор поваренной соли в качестве электролита. Однако используемый газ - это не воздух, а хлор.

Во время зарядки и разрядки этот электрод претерпевает окислительно-восстановительную реакцию в дополнение к разделению заряда, обычному для суперконденсаторов. При зарядке электрод передает электроны хлорному газу, восстанавливая хлор до хлорид-ионов, которые переходят в раствор - электрод "выдыхает". При разрядке хлорид-ионы окисляются обратно в хлор, что возвращает газ в поры электрода - электрод "вдыхает". Используя различные аналитические методы, команда продемонстрировала, что ни один хлористый газ не выходит из электрода. Очень быстрое восстановление/окисление и быстрый массоперенос в тонком слое газа резко увеличивают плотность энергии суперконденсатора при сохранении чрезвычайно высокой плотности мощности. Емкость остается на том же высоком уровне даже после тысяч циклов.