Пластиковые суперконденсаторы могут решить проблемы хранения энергии

Прочитано: 78 раз(а)


Пластики сформировали наш современный мир и изменили наш образ жизни. Десятилетиями они в основном использовались в электронике из-за своих превосходных изоляционных свойств. Но в 1970-х годах ученые случайно обнаружили, что некоторые виды пластика также могут проводить электричество. Это открытие произвело революцию в этой области и открыло двери для применения в электронике и хранении энергии.

Один из наиболее широко используемых электропроводящих пластиков сегодня называется PEDOT, сокращение от poly(3,4-ethylenedioxythiophene). PEDOT — это гибкая прозрачная пленка, часто наносимая на поверхности фотопленок и электронных компонентов для защиты их от статического электричества. Он также используется в сенсорных экранах, органических солнечных батареях и электрохромных устройствах, таких как умные окна, которые переключаются со светлого на темное одним нажатием кнопки.

Однако потенциал PEDOT для хранения энергии ограничен, поскольку коммерчески доступные материалы PEDOT не обладают электропроводностью и площадью поверхности, необходимыми для удержания больших объемов энергии.

Химики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе решают эти проблемы с помощью инновационного метода управления морфологией PEDOT для точного выращивания нановолокон. Эти нановолокна демонстрируют исключительную проводимость и расширенную площадь поверхности, что имеет решающее значение для улучшения возможностей PEDOT по хранению энергии.

Этот подход, описанный в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials , демонстрирует потенциал нановолокон PEDOT для применения в суперконденсаторах.

В отличие от батарей, которые хранят энергию посредством медленных химических реакций, суперконденсаторы хранят и высвобождают энергию, накапливая электрический заряд на своей поверхности. Это позволяет им заряжаться и разряжаться чрезвычайно быстро, что делает их идеальными для приложений, требующих быстрых всплесков мощности, таких как системы рекуперативного торможения в гибридных и электрических транспортных средствах и вспышки камер. Таким образом, лучшие суперконденсаторы являются одним из путей к снижению зависимости от ископаемого топлива.

Химики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали новый материал с помощью уникального процесса роста в паровой фазе для создания вертикальных нановолокон PEDOT. Эти нановолокна, напоминающие густую траву, растущую вверх, значительно увеличивают площадь поверхности материала, позволяя ему хранить больше энергии. Добавив каплю жидкости, содержащей нанохлопья оксида графена и хлорид железа, на графитовый лист, исследователи подвергли этот образец воздействию паров молекул-предшественников, которые в конечном итоге образовали полимер PEDOT.

Вместо того чтобы превратиться в очень тонкую, плоскую пленку, полимер превратился в толстую, похожую на мех структуру, значительно увеличив площадь поверхности по сравнению с обычными материалами PEDOT.

«Уникальный вертикальный рост материала позволяет нам создавать электроды PEDOT, которые хранят гораздо больше энергии, чем традиционный PEDOT», — сказал корреспондент и ученый-материаловед Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Махер Эль-Кади. «Электрический заряд хранится на поверхности материала, а традиционные пленки PEDOT не имеют достаточной площади поверхности, чтобы удерживать большой заряд. Мы увеличили площадь поверхности PEDOT и тем самым увеличили его емкость достаточно для создания суперконденсатора».

Авторы использовали эти структуры PEDOT для изготовления суперконденсаторов с превосходной емкостью хранения заряда и исключительной стабильностью циклирования, достигающей почти 100 000 циклов. Это достижение может проложить путь к более эффективным системам хранения энергии , напрямую решая глобальные проблемы в области возобновляемой энергии и устойчивости.

«По сути, полимер — это длинная цепочка молекул, построенных из более коротких блоков, называемых мономерами», — сказал Эль-Кади. «Представьте себе ожерелье из отдельных бусин, нанизанных вместе. Мы нагреваем жидкую форму мономеров внутри камеры. По мере того, как пары поднимаются, они вступают в химическую реакцию, когда соприкасаются с поверхностью графеновых нанохлопьев. Эта реакция заставляет мономеры связываться и образовывать вертикальные нановолокна. Эти нановолокна имеют гораздо большую площадь поверхности, что означает, что они могут хранить гораздо больше энергии».

Новый материал PEDOT показал впечатляющие результаты, превзойдя ожидания в нескольких критических областях. Его проводимость в 100 раз выше, чем у коммерческих продуктов PEDOT, что делает его гораздо более эффективным для хранения заряда. Что еще более примечательно, так это то, что электрохимически активная площадь поверхности этих нановолокон PEDOT в четыре раза больше, чем у традиционного PEDOT. Эта увеличенная площадь поверхности имеет решающее значение, поскольку она позволяет хранить гораздо больше энергии в том же объеме материала, значительно повышая производительность суперконденсаторов.

Благодаря новому процессу, в ходе которого на листе графена выращивается толстый слой нановолокон, этот материал теперь обладает одной из самых высоких на сегодняшний день ёмкостей хранения заряда среди PEDOT — более 4600 миллифарад на квадратный сантиметр, что почти на порядок выше, чем у обычного PEDOT.

Вдобавок ко всему, материал невероятно долговечен, выдерживая более 70 000 циклов зарядки, намного превосходя традиционные материалы. Эти достижения открывают двери для суперконденсаторов, которые не только быстрее и эффективнее, но и долговечнее, что является важными качествами для отрасли возобновляемой энергетики.

«Исключительная производительность и долговечность наших электродов демонстрируют огромный потенциал использования графена PEDOT в суперконденсаторах, которые могут помочь нашему обществу удовлетворить потребности в энергии», — сказал один из авторов Ричард Канер, выдающийся профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, чья исследовательская группа уже более 37 лет находится на переднем крае проведения исследований полимеров.

Пластиковые суперконденсаторы могут решить проблемы хранения энергии



Новости партнеров