Написано AZoNano 5 декабря 2019

Использование проводящего наноалмаза в качестве электродного материала в элементе на водной основе значительно увеличивает его емкость накопления энергии, ученые обнаружили, что суперконденсаторы, которые начали заменять традиционные батареи, такие как литий-ионные батареи, в настоящее время могут хранить много меньше энергии, чем в идеале. Чтобы исправить это, группа ученых из Японии предлагает использовать проводящий наноалмаз в качестве материала электрода.

Полученное в результате высокоэффективное устройство накопления энергии подходит для приложений, в которых требуется быстрая зарядка и разрядка для многократного использования в течение длительного времени. И снова алмаз сияет над своими сверстниками.

Наше использование устройств и приборов с батарейным питанием неуклонно растет, что приводит к необходимости в безопасных, эффективных и высокопроизводительных источниках питания. С этой целью тип устройства накопления электрической энергии, называемый суперконденсатором, в последнее время стал рассматриваться как реальная, а иногда даже лучшая альтернатива обычным широко используемым устройствам накопления энергии, таким как литий-ионные аккумуляторы. Суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем обычные батареи, а также продолжать делать это гораздо дольше. Это делает их пригодными для целого ряда применений, таких как рекуперативное торможение в транспортных средствах, носимые электронные устройства и так далее. «Если может быть создан высокопроизводительный суперконденсатор, использующий невоспламеняющийся, нетоксичный и безопасный водный электролит, он может быть встроен в носимые устройства и другие устройства, способствуя буму в Интернете вещей» Доктор Такеши Кондо, который является ведущим ученым в недавнем прорывном исследовании в этой области, говорит.

Тем не менее, несмотря на их потенциал, в настоящее время суперконденсаторы имеют определенные недостатки, которые препятствуют их широкому использованию. Одна из основных проблем заключается в том, что они имеют низкую плотность энергии; то есть они накапливают недостаточно энергии на единицу площади своего пространства. Ученые сначала попытались решить эту проблему, используя органические растворители в качестве электролита – проводящей среды – внутри суперконденсаторов для повышения генерируемого напряжения (обратите внимание, что квадрат напряжения прямо пропорционален плотности энергии в устройствах накопления энергии). Но органические растворители дороги и имеют низкую проводимость. Так что, возможно, водный электролит был бы лучше, подумали ученые.

Таким образом, разработка компонентов суперконденсатора, которые были бы эффективны с водными электролитами, стала центральной темой исследований в этой области.

В вышеупомянутом недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports, доктор Кондо и группа из Токийского университета науки и корпорации Daicel в Японии изучали возможность использования нового материала, наноалмаза, легированного бором, в качестве электрода в суперконденсаторах. Электроды – это проводящие материалы в батарее или конденсаторе, которые соединяют электролит с внешними проводами для передачи тока из системы. Выбор материала электродов для этой исследовательской группы был основан на знании того, что легированные бором алмазы обладают широким потенциальным окном, особенностью, которая позволяет устройству накопления высокой энергии оставаться стабильным во времени. «Мы думали, что суперконденсаторы на водной основе, вырабатывающие большое напряжение, могут быть реализованы, если в качестве материала электрода используется проводящий алмаз», говорит доктор Кондо.

Ученые использовали технику, называемую СВЧ-плазменное химическое осаждение из газовой фазы, MPCVD, для изготовления этих электродов и исследовали их рабочие характеристики, проверяя их свойства. Они обнаружили, что в основной двухэлектродной системе с водным сернокислотным электролитом эти электроды производили намного более высокое напряжение, чем обычные элементы, что приводило к гораздо более высокой плотности энергии и мощности для суперконденсатора. Кроме того, они увидели, что даже после 10000 циклов зарядки и разрядки электрод оставался очень стабильным. Легированный бором наноалмаз доказал свою ценность.

Вооружившись этим успехом, ученые решились исследовать, будет ли этот электродный материал показывать те же результаты, если электролит будет заменен на насыщенный раствор перхлората натрия, который, как известно, обеспечивает получение более высокого напряжения, чем это возможно с обычным сернокислотный электролит. Действительно, уже созданное высокое напряжение значительно расширилось в этой установке.

Таким образом, как сказал д-р Кондо, «наноалмазные электроды, легированные бором, полезны для водных суперконденсаторов, которые функционируют в качестве высокоэнергетических накопителей, подходящих для высокоскоростной зарядки и разрядки».

Похоже, алмазы могут стать движущей силой нашей электронной и физической жизни в ближайшем будущем!

Источник: https://www.tus.ac.jp/en/