Суперконденсаторы — это устройства для хранения энергии, которые дополняют перезаряжаемые 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 &ldquo ;дышащим&rdquo ; электродом намного лучше. Как объясняет команда, разработавшая его. Они черпали вдохновение у ящерицы, которая берет с собой пузырек воздуха, чтобы дышать, когда ныряет под воду.
Суперконденсаторы для хранения электрической энергии
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, заряжаемые 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 &ldquo ;спринтерами&rdquo ; в области хранения энергии: они могут производить очень большие токи за очень короткое время (высокая плотность мощности). Однако они являются плохими &ldquo ;бегунами на длинные дистанции&rdquo ;, поскольку даже при низком потреблении электроэнергии они служат очень недолго (низкая плотность энергии). Современные накопители электрической энергии должны сочетать в себе обе характеристики и иметь малый вес. К сожалению, методы повышения плотности энергии до сих пор всегда достигались за счет плотности мощности, что является камнем преткновения для развития суперконденсаторов.
Суперконденсатор дышит как ящерица
Команда под руководством Лонга Чена, Ченга Лиана, 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.
Новый электрод, изготовленный 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.
В процессе зарядки и разрядки этот электрод претерпевает окислительно-восстановительную реакцию в дополнение к разделению зарядов, обычному для суперконденсаторов. При зарядке электрод передает электроны хлорному газу, восстанавливая хлор до хлорид-ионов, которые переходят в раствор — электрод “выдыхает”. При разряде хлорид-ионы окисляются обратно в хлор, который возвращает газ в поры электрода— электрод &ldquo ;вдыхает”. Используя различные аналитические методы, команда продемонстрировала, что ни один хлорный 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.