Учёные из Сколковского института науки и технологии (Россия) и Университета Аалто (Финляндия) предложили новый метод изготовления уникальных суперконденсаторов. Электроды при этом делаются из однослойных углеродных нанотрубок, а в качестве материала, разделяющего обкладки, используются нанотрубки из нитрида бора. Новое устройство прекрасно выдерживает деформацию, дёшево в изготовлении и готово к большому количеству циклов зарядки/перезарядки. Детали исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Важным элементом почти любого электронного устройства является конденсатор. Он предназначен для того, чтобы запасать электрический заряд и энергию электрического поля.
Простейший конденсатор состоит из двух электродов (обкладок, как говорят специалисты), разделённых слоем не проводящего ток вещества (диэлектрика). На обкладках и накапливается заряд. Диэлектрик нужен, чтобы между ними не проскочила искра, вызвав короткое замыкание.
Существуют и более сложные конструкции, в которых пространство между электродами заполнено электролитом, а роль обкладок играет слой ионов на границе раздела электрода и электролита. Именно эта технология обычно используется для создания конденсаторов большой ёмкости (так называемых суперконденсаторов).
В устройствах, которые помещаются в карман, а то и на запястье, конденсаторы должны быть микроскопическими. Но этого мало. Тренд последнего времени – гибкая электроника. Человечество жаждет ноутбуков, которые можно скатать в рулон. Значит, и конденсатор должен без ущерба выдерживать всевозможные изгибы и растяжения.
В этой ситуации полимеры и электролиты на их основе, которыми обычно заполняется пространство между электродами в суперконденсаторе, уже не являются идеальным решением. Как поясняется в пресс-релизе, у них низкая механическая прочность, к тому же слой такого материала по меркам микроэлектроники должен быть довольно толстым (0,2 миллиметра). Последнее обстоятельство приводит к высокому внутреннему сопротивлению конденсатора.
Команда Сколтеха предложила иное решение. Учёные отказались от схем, использующих ионы и электролиты, и вернулись к классической схеме "два электрода и диэлектрик между ними". Пространство между электродами они заполнили нанотрубками из нитрида бора. Это материал с уникальной прочностью и эластичностью, к тому же хороший изолятор. Слой толщиной всего 0,5 микрометра обеспечивает надёжную защиту от короткого замыкания.
Электроды же были изготовлены из однослойных углеродных нанотрубок. Пористая структура этого материала обеспечивает очень высокую площадь поверхности, что важно для повышения ёмкости конденсатора. К тому же он прочен, химически стабилен и хорошо проводит ток.
Прототип устройства сохранил 96% начальной ёмкости после 20 тысяч циклов зарядки/разрядки, и всё это при очень низком эквивалентном последовательном сопротивлении 4,6 Ом. Кроме того, он выдерживает не меньше тысячи циклов растяжения на 50% от начальной длины.
Более того, новый конденсатор прост в изготовлении. Для этого используются сравнительно простые и дешёвые методы сухого осаждения и аэрографии. Всё это позволяет надеяться, что новые устройства в скором времени станут серийной продукцией.
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) неоднократно писали о применении нанотрубок в электронике. Тут и гибкий датчик из жевательной резинки, и растягивающиеся плазменные экраны, и сложная система транзисторов. Революционные решения в науке о материалах создаются руками обычных инженеров каждый день. А значит, нас ждут новые удивительные технологии.
