Конденсаторы большой емкости помогут решить проблему подзарядки портативной электроники
04.04.2012
Электролитические конденсаторы, также известные как конденсаторы большой емкости или ионисторы, отличаются от стандартных конденсаторов, используемых при сборке телевизоров или компьютеров, главным образом тем, что способны концентрировать гораздо больший заряд. Эта способность, а также то, что они заряжаются и разряжаются на порядок быстрее обычных аккумуляторов, способствует активному расширению области их применения.
Однако, сдерживающим фактором в этом процессе является то, что данные конденсаторы работают лишь с маломощными источниками, имеющими небольшое напряжение, что явно недостаточно для полномасштабного применения.
Электролитические конденсаторы, сочетающие в себе качество конденсаторов и в тоже время позволяющие работать с достаточно мощными источниками большого напряжения, стали бы настоящим прорывом в сфере накопления и хранения энергии. Однако, для этого необходимы совершенно новые электроды, обладающие не только высокой удельной электропроводимостью, но и на порядок большей площадью поверхности обслуживаемой зоны. К сожалению, современные электролитические конденсаторы, в которых используются электроды из активированного угля, не обладают необходимыми характеристиками.
На сегодняшний день команда исследователей Калифорнийского университета (UCLA)работает над созданием подобных электродов (способных работать с достаточно мощными источниками большого напряжения), используя стандартный DVD привод с функцией Light Scribe. Данные электроды создаются с использованием расширенной сетки графем – слой углерода графита толщиною в один атом, обладающий не только превосходными электротехническими, но и механическими свойства. А также достаточно большой площадью поверхности. Ученые продемонстрировали высококачественные электролитические конденсаторы на основе графена, показывающие превосходные результаты и способные работать с крайне большим напряжением.
Процесс получения подобных электродов заключается в том, что на DVD диск наносится пленка оксида графита, именно из этой пленки, подвергшейся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, создаются графеновые электроды. Обычно, качество устройств накопления энергии оценивается по двум показателям: энергоемкость и максимальное напряжение. Предположим, что мы используем такое устройство на электромобиле, при этом показатель энергоемкости указывает на то, сколько этот автомобиль может проехать без дополнительной подзарядки. В свою очередь, максимальное напряжение указывает, с какой скоростью сможет двигаться такой автомобиль. При работе в подобных условиях графеновые электроды (подвергшиеся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe) демонстрируют высокие показатели энергоемкости, работая в различных электролитах и при этом обеспечивая превосходный уровень стабильности процессов в электролитных конденсаторах. К тому же, электролитические конденсаторы, показывающие превосходные результаты и способные работать с крайне большим напряжением, способны обеспечивать стабильную работу энергоемких устройств.
По словам профессора химии и материаловедения Ричарда Б.Канера (Richard B. Kaner): «Наши исследования показали, что ионисторы на основе графена способны аккумулировать заряд аналогичный тому, который аккумулируется обычными аккумуляторными батареями, но при этом ионистры заряжаются и разряжаются в сотни и тысячи раз быстрее».
По словам ведущего автора исследований аспиранта лаборатории Кенера Махера Ф. Эль-Кади (Maher F. El-Kady) :«Ученым удалось разработать технологию производства высокоэффективных электролитических конденсаторов на основе графена, используя простой и надежный способ, позволяющий избежать перекладывания листов графена.»
Исследователям удалось создать электроды, подвергшиеся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, которые, в отличие от стандартных электродов на основе активированного угля, не имеют столь жестких ограничений рабочих характеристик. Лазерная обработка по технологии Light Scribe приводит к одновременному сокращению и расслоению оксида графита, создавая, таким образом, открытую сеть электродов (LSG), подвергшихся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, имеющих более высокую и доступную площадь поверхности. Это значительно увеличивает объемы заряда, сохраняемого данными ионисторами. Структура открытой сети электродов позволяет максимально сократить путь диффузии ионов электролита, что крайне важно для ускорения процесса зарядки устройства. Этот эффект может достигаться за счет легко доступных гладких и плоских листов графена, тогда как площадь поверхности большинства современных ионисторов на основе активированного угля представляют собой крайне маленькие поры, затрудняющие процесс диффузии ионов.
Источник: Калифорнийский университет.
Это означает, что ионисторы с электродами, подвергшимися лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, позволят аккумулировать и передавать крайне большой заряд за короткое время. Подобное не доступно для современных ионисторов на основе активированного угля. К тому же электроды, подвергшиеся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, обладают большой мощностью и высокой проводимостью (1700 См/м), в то время как показатели проводимости электродов на основе активированного угля на порядок ниже (10-100См/м). Это означает, что электроды, подвергшиеся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, могут непосредственно использоваться в качестве электродов ионистора, при этом отпадает необходимость в связующих веществах и токосборниках, которые обычно необходимы для работы ионисторов на основе активированного угля. Подобные свойства позволяют электродам, подвергшимся лазерной обработке в DVD приводе с технологией Light Scribe, одновременно выполнять в ионисторах роль активного вещества и токосборника. Подобное сочетание функций в сочетании с упрощенной архитектурой делает данные ионисторы крайне затратоэффективными.
Коммерческий вариант новых ионисторов включает в себя сепаратор, помещенный между двумя электродами и жидкий электролит, который является либо навивным и помещается в контейнер цилиндрической формы либо помещается в кнопочный элемент. К сожалению, недостатком архитектуры подобных устройств является не только возможность утечки электролита, но и определенные недостатки конструкции, что осложняет их практическое применение в современной электронике. Исследователям удалось заменить жидкий электролит электролитом на основе полимерного геля, который также способен выполнять функции сепаратора. Это позволило сделать устройство более легким и тонким. А также существенно упростить производственный процесс, так как в этом случае отпадает необходимость в специальных упаковочных материалах. Чтобы оценить на практике рабочий потенциал новых электролитических конденсаторов, исследователи поместили устройство под постоянное динамическое воздействие тока. Интересно, что это практически не повлияло на стабильность работы устройства.
По словам профессора Кенера, им удалось создать устройство, сочетающее в себе высокие эксплуатационные качества: долговечность, надежность и пластичность электродов. Между электродами устанавливаются взаимопроникающие полимерные сетки, и заливается гелиевый электролит. В процессе работы устройства электролит густеет и уплотняется, и, подобно клею, не дает распадаться деталям устройства. Использование данного метода позволяет сохранить целостность устройства, удлиняя его жизненный цикл. Устройство успешно прошло испытание в экстремальных условиях. По словам исследователей, на данном этапе получены лишь опытные образцы устройств, и о коммерческом их использовании говорить пока рано, подобные энергоаккумулирующие устройства могут появиться лишь в электронике последующих поколений. Однако уже сейчас можно с уверенностью сказать, что данное изобретение еще один шаг на пути к созданию идеальной энергоаккумулирующей системы.
Наши новости один раз в неделю на ваш емайл
Подписаться на почтовую рассылку / Авторам сотрудничество
Подписаться на почтовую рассылку / Авторам сотрудничество
