Российские учёные разработали новый материал для суперконденсаторов, который способен выдерживать тысячи циклов зарядки и разрядки без существенной потери ёмкости. Для этого они использовали медные нанопроволоки с защитным покрытием из никеля толщиной всего 6 нанометров. Исследование провели специалисты Института общей и неорганической химии имени Курнакова РАН совместно с коллегами из МФТИ. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Energy Storage.
Медь хорошо проводит электричество и стоит дешевле золота и серебра, поэтому её рассматривают в качестве основы для электродов. Однако у этого металла есть недостаток. В щелочном электролите, который используют в суперконденсаторах, медь постепенно окисляется и разрушается. Из-за этого нарушается проводящая структура электрода и снижается его эффективность. Микроструктура и карты распределения элементов по поверхности сформированных одномерных наноструктур (CuNWs — слева; CuNWs@Ni — справа), демонстрирующие равномерное нанесение сплошной никелевой оболочки на поверхность медных нанопроволок
Учёные решили проблему с помощью тонкой никелевой оболочки. Сначала они изготовили медные нанопроволоки, длина которых более чем в тысячу раз превышает диаметр, а затем покрыли их слоем никеля толщиной около 6 нм. В результате получилась структура «ядро — оболочка». Медь обеспечивает хорошую электропроводность, а никель защищает её от воздействия электролита. При этом само покрытие тоже участвует в электрохимических реакциях и помогает увеличить ёмкость электрода. Микроструктура (слева) композитных сетеподобных электродов на основе медных (CuNWs) и покрытых никелевой оболочкой (CuNWs@Ni) нанопроволок после электрохимических измерений в водном растворе гидроксида калия разной концентрации, подтверждающая сохранение микроструктурной стабильности трёхмерной проводящей сетки CuNWs@Ni по сравнению с незащищёнными электродами на основе CuNWs. Кривые гальваностатического заряда-разряда (справа) электродов на основе нанопроволок разного состава, демонстрирующие преимущества структур типа «ядро-оболочка»
На основе нового материала исследователи собрали прототип асимметричного суперконденсатора с рабочим напряжением 1,5 В. Его максимальная поверхностная плотность энергии достигла 35,9 мкВт·ч/см². Во время испытаний устройство прошло 10 тысяч циклов зарядки и разрядки, сохранив около 84% первоначальной ёмкости.
Суперконденсаторы отличаются от обычных аккумуляторов тем, что накапливают заряд на поверхности электродов, а не внутри материала. Благодаря этому они могут быстрее заряжаться и отдавать энергию, а также выдерживать большое количество рабочих циклов. Новая разработка может быть полезна при создании компактных накопителей энергии для портативной электроники и других устройств, которым необходима высокая мощность и долговечность.
Источник: trashbox.ru