Новое гибридное устройство: аккумулятор и суперконденсатор

superconensator

Ученые из UCLA’s California NanoSystems Institute изобрели гибридную батарею, которая при высокой плотности хранения энергии, как у свинцово-кислотных аккумуляторов, обладает возможностью быстрой зарядки, как у суперконденсаторов. Это устройство может изменить весь аккумуляторый рынок, и сделает доступными переносную электронику и электромобили, которые заряжаются практически мгновенно. Для домашней энергетики это сулит появлением устройств, которые могут принять практически любой сильный всплеск при генерации энергии, например от ветротурбин,  при резком порыве ветра.

Профессор Ричард Канер (Richard Kaner) и доктор Махер Эль-Кади (Maher El-Kady) из Калифорнийского Института пока разработали прототип нового суперконденсатора. Он как и другие суперконденсаторы, выдерживает более 10 000 циклов зарядки-разрядки, но накапливая в шесть раз больше энергии, при толщине менее человеческого волоса.

high-energy-density-supercapacitor

Для достижения высоких значений емкости и мощности суперконденсаторов, нужно задействовать ионные и электронные токи в области электродов, а это сложно достижимо из-за низкой электропроводности оксидных пленок и длинных путей диффузии ионов.  В обычных компактных MnO2 толсто-пленочных электродах, только поверхностный слой взаимодействует с электролитом, поэтому ограниченное количество активного материала участвует в накоплении заряда.

В предыдущих решениях пытались увеличить область взаимодействия, используя наноструктурные элементы: наночастицы, нанопроволоку, наностержни, пористые структуры в электроде. Это приводило к некоторым улучшениям характеристик суперконденсаторов, но по-прежнему не решался вопрос низкой электропроводности MnO2, существенно не увеличивалась мощность элементов. Для улучшения проводимости пленки MnO2 различные исследователи также пытались применять угольный порошок, углеродные нанотрубки и графен. Тем не менее, электронные носители заряда должны были пройти через небольшие контактные области между частицами, обладающие дополнительным сопротивлением.

Идеальный электрод можно было бы получить, выращивая 3D наноструктуру, в виде связанной между собой макро-пористой конструкции, с высокой электрической проводимостью и высокой площадью поверхности. В такой структуре, проводник из графен действует как 3D тока коллектора, обеспечивая электронам «магистрали» для хранения и доставки заряда, в то время как наноструктурированный MnO2 осуществляет быстро обратимые фарадеевские реакции с короткими ионными путями диффузии. Еще одна интересная особенность этой структуры является то, что каждая MnO2 наночастица электрически соединена с коллектором тока таким образом, что все наночастицы задействованы, и практически отсутствует  «мертвая» масса.

DVD с микроразметкой поверхности для изготовления прототипа суперконденсатора

DVD с микроразметкой поверхности для изготовления прототипа суперконденсатора

Для создания прототипа суперконденсатора ученые Канер и Эль-Кади использовали технологию LightScribe (создание лазером рисунков на поверхности DVD дисков). В обычном графическом редакторе была нарисована схема, на поверхность DVD была наклеена пленка, а далее DVD рекордером с технологией LightScribe перенесена на поверхность диска.

high-energy-density-supercapacitor-1

Структура ячейки суперконденсатора (Изображение: UCLA)

«Хотя наши электроды представляют собой тонкие (около 15 мкм) структуры, они способны хранить больше заряда, чем толстые (100–200 мкм) коммерческие конденсаторы, которые используются в промышленности сейчас», – говорит Эль-Кади.

По словам исследователей, их суперконденсаторы могут достигать плотности энергии до 42 Вт•ч/л, по сравнению с 7 Вт•ч/л у тех моделей, которые используются сейчас. Всему виной устаревшая технология на основе углерода. Также новое устройство обеспечивает удельную мощность примерно до 10 кВт/л, что в 100 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

«Конденсаторы на основе диоксида марганца могут хранить до шести раз больший электрический заряд чем свинцово-кислотные батареи, при этом цикл заряд-разряд может произойти за секунды. Это привлекательно для современной промышленности», – говорит Канер.

Суперконденсаторы, как правило, укладываются друг на друга и упакованы в единое целое, но исследователи смогли воспользоваться тонкостью своего устройства путем интеграции панели солнечных батарей внутри. При этом было обнаружено, что суперконденсаторы могут хранить электрический заряд, генерируемый в солнечной батарее, в течение дня до вечера, а затем включить светодиоды ночью. И это лишь одно из многих возможных применений этой технологии.

Канер говорит, что его команда в настоящее время изучает возможность использования электродов для создания гибридных суперконденсаторов в промышленном масштабе.

Вы можете увидеть работу прототипа устройства в видеоролике.

Источники:

www.pnas.org

www.gizmag.com

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой
Новые серийные двигатели Стирлинга 3.5 и 7.5 кВт
Созданы солнечные батареи, превращающие инфракрасное излучение в электричество
Может ли краудфандинг дать нам безопасную термоядерную энергию до 2020 года?
Термоакустический холодильник на солнечной энергии

Template design by Joule Watt © 2015 Домашняя энергетика