Создан эластичный суперконденсатор на основе однослойных углеродных нанотрубок

В процессе разработки новейшего устройства были использованы пленки однослойных углеродных нанотрубок.
Фото Сколтех.

Исследователи из Сколтеха и Университета Аалто в Финляндии создали новый эластичный суперконденсатор на основе электродов из однослойных углеродных нанотрубок. В перспективе суперконденсаторы могут заменить собой современные аккумуляторы.

В процессе разработки новейшего устройства учёными были использованы плёнки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Они отличаются от своих многослойных "собратьев" тем, что имеют лишь одну стенку, собранную из атомов углерода (простейшая аналогия — трубочка для коктейля).

ОУНТ обладают превосходными оптоэлектрическими и механическими свойствами. В эластично суперконденсаторе они выступают в качестве токоотводов, а также в роли активных электродов. Прозрачный эластичный суперконденсатор был успешно реализован путём сборки двух электродов, состоящих из подложки полидиметилсилоксана (ПДМС) и ОУНТ электродов, нанесённых на неё, а также гелевого электролита, расположенного между ними.

Одностенные углеродные нанотрубки обладают множеством уникальных свойств, которые являются полезными для широкого спектра применений, в том числе для нового развивающегося направления гибкой электроники. Плёнки на основе ОУНТ демонстрируют исключительно высокие значения модуля упругости и предела прочности при растяжении и являются самыми прочными из известных наноматериалов. Они также обладают высокой пористостью и удельной площадью поверхности (важно для накопления заряда), а также высокой прозрачностью и гибкостью. (Уже сейчас их используют для создания гибких и чувствительных к прикосновениям экранов, например.)

Кроме того, ОУНТ могут пропускать высокие токи, что делает их идеальными кандидатами для замены таких материалов, как медь и алюминий в быстро заряжающихся/разряжающихся цепях. В исследовании, проведенном учёными России и Финляндии, этот тип нанотрубок был синтезирован аэрозольным методом газофазного химического осаждения (происходило разложение паров ферроцена в атмосфере монооксида углерода). Такие ОУНТ, собранные в реакторе на нитроцеллюлозный фильтр, могут быть легко перенесены на любую поверхность, в том числе и на эластичные подложки, такие как ПДМС.

Одной из ключевых особенностей, изготовленных в данном исследовании устройств, является использование особенного – гелевого – электролита. Такой выбор электролита обусловлен тем, что широко используемые электролиты, как правило, являются жидкими и они, таким образом, не пригодны для использования в эластичных суперконденсаторах из-за проблем, связанных с утечкой.

После изготовления учёные проверили свойства эластичного суперконденсатора. Оказалось, что устройство на его основе может быть согнуто, сложено и даже растянуто без видимых изменений в его производительности. Прозрачность такого устройства составляет 75%.

Для улучшения характеристик устройства исследователи разработали подход, основанный на нанесении гелевого электролита на ОУНТ плёнку, находящуюся в заранее растянутом положении. В итоге учёные получили такую структуру суперконденсатора, которая может быть растянута до 120% без существенного изменения ёмкости даже после 1000 циклов растяжения и после 1000 циклов заряда-разряда. Для такого подхода, основанного на предварительном растяжении электродов, вычисленная удельная ёмкость прибора составила 17,5 Ф/г^-1, что выше, чем значение, полученное при использовании жидкого или гелевого электролита без предварительного растяжения, а также по сравнению с последними известными полученными результатами.

Такая конфигурация позволила растянуть суперконденсатор, преодолевая ограничение, возникающее для обычных конфигураций суперконденсаторов, в которых два электрода начинают сдвигаться относительно сепаратора при растяжении.

"Характеристики суперконденсаторов при растяжении до 120% остаются неизменными даже в состоянии максимального растяжения, а также после тысячи циклов растяжения. Плёнки ОУНТ, устойчивые к растяжению, могут найти широкое применение для новой эластичной электроники, при создании электродов в устройствах для накопления энергии. Такая высокая эластичность, в сочетании с прозрачностью и высокой удельной ёмкостью позволяет утверждать, что полученные суперконденсаторы имеют большой потенциал для будущего практического применения в носимой электронике", – поясняет Альберт Насибулин, один из авторов разработки и профессор Сколковского Института Науки и Технологий.

Результаты совместного исследовательского проекта опубликованы в журнале Королевского химического общества Великобритании RSC Advances.