Органические гидрогели не оставляют шанса углеродным электродам в суперконденсаторах

[Fearok]

Органические гидрогели не оставляют шанса углеродным электродам в суперконденсаторах


Гидрогель разноцветный.

Суперконденсаторы (ионисторы) дополняют собой батареи в схемах сохранения и доставки электричества, поскольку способны обеспечить отдачу энергии в виде быстрых импульсов. К примеру, они используются в качестве вспомогательных устройств для разгона экспериментального авто Honda FCX на водородных топливных элементах. С другой стороны, суперконденсаторы содержат меньше энергии в расчёте на единицу объёма (плотность энергии) в сравнении с типичной батареей, то есть и ёмкость такого устройства в значительной степени ограничена.

Однако замена материала электрода позволяет увеличить ёмкость суперконденсатора, а значит — и плотность запасаемой энергии.

И Цуй и Чженьань Бао из Стэндфордского университета (США) разработали и синтезировали гидрогель на основе водорастворимого проводящего полимера. При его использовании в качестве электродов суперконденсатора удалось достичь в три раза более высокой ёмкости по сравнению с обычными углеродными суперконденсаторами. Важно и то, что суперконденсаторы на основе нового материала будут дёшевы в производстве и эксплуатации.

Типичные суперконденсаторы, состоящие из двух близко расположенных электродов из пористого углерода, способны быстро заряжаться и разряжаться. Отрицательные ионы из электролита концентрируются внутри пор положительного электрода, а положительные ионы находят приют внутри анода. Именно это явление разделения ионов в порах графита и позволяет запасать энергию в качестве разности потенциалов между соседними электродами. Помимо запасания ионов, суперконденсаторы на основе проводящих полимеров обладают дополнительной формой ёмкости, называемой «псевдоёмкостью». Электроны, перешедшие на и с полимерных цепей, приводят к накоплению общего заряда вдоль полимерной матрицы.

Одним из наиболее популярных проводящих полимеров является полианилин (polyaniline). Именно его полимерные цепи и были взяты за основу калифорнийскими учёными и декорированы ими сахарами природного происхождения, несущими на себе полярные фосфатные остатки. На фотографии, полученной со сканирующего электронного микроскопа, гидрогель на основе такого «водорастворимого» полианилина выглядит как пена, пористая структура которой обеспечивает новый материал с высокой площадью поверхности для удержания ионов и зарядов.

Для создания самого суперконденсатора на основе подготовленного гидрогеля исследователи покрыли им две углеродные пластины и пропитали получившиеся электроды разбавленным раствором серной кислоты. После чего установили новые электроды на место старых графитовых и измерили величину заряда, которую способен удерживать получившийся суперконденсатор.

Несмотря на то что обычные электроды на основе полианилина теряют от 25 до 40 процентов своей ёмкости при зарядке током высокой плотности, новое устройство сохраняло не менее 93% ёмкости при проведении быстрой зарядки током, плотность которого в 10 раз превышала стандартную. Кроме того, новый суперконденсатор сохранял не менее 83% своей начальной ёмкости после 10 тыс. циклов перезарядки током высокой плотности, что как минимум в 10 раз больше, чем для других анилиновых электродов.

Поскольку новый материал состоит в основном из полианилина, вся структура способна проводить электричество. А синтез самого гидрогеля — чрезвычайно простая процедура, требующая лишь смешения двух растворов, первый из которых содержит анилин и сахарный линкер, а второй — подходящий окислитель, запускающий полимеризацию. После смешения гидрогель готов через три минуты.