Металлизированная бумага стала основой для гибких суперконденсаторов будущего

Листы металлизированной бумаги могут складываться до тысячи раз, и это никак не повлияет на их проводимость.
Фото Ko et al., Nature Communications.

Если батареи в мире хранения энергии принято считать марафонцами, то суперконденсаторы можно назвать спринтерами.

В то время как батареи имеют высокую плотность энергии и могут очень долго её хранить, их основной минус – низкая плотность мощности (представьте, что вы открываете кран, а вода из него вытекает тонкой струйкой). У суперконденсаторов всё наоборот: они могут выдавать огромные мощности (в этом случае кран выдавал бы потоки воды), но при этом хранить в них много энергии долгое время не получится.

Американо-корейская исследовательская группа решила исправить этот недостаток и разработала новый суперконденсатор, который может хранить большие запасы энергии намного дольше, чем его классические аналоги. Найти золотую середину между плотностью энергии и плотностью мощности помог новый материал.

Учёные создали его на основе бумаги по особой технологии. Сперва лист бумаги погружается в раствор поверхностно-активных веществ под названием амины. Это органические вещества, производные аммиака. Затем лист опускается в другой раствор, содержащий наночастицы золота. Поверхностно-активное вещество помогает золоту проникать в пористые волокна бумаги – там наночастицы и остаются.

Далее тот же метод используется для добавления новых слоёв поверх листа – это слои оксидов различных металлов (например, оксида марганца). Что приятно, все манипуляции проводятся при комнатной температуре. В итоге получается металлизированная бумага.

При этом наночастицы золота проводят электричество, а слои оксидов металлов его сохраняют. Таким образом специалисты получили сверхпроводник с высокой плотностью энергии и мощности, который можно свернуть или скрутить как обычный лист бумаги.

Устройства на основе металлизированной бумаги, изготовленной при помощи такого поэтапного покрытия, могут складываться до тысячи раз, и это никак не влияет на проводимость, отмечают авторы разработки.

"Такой тип устройств для хранения энергии открывает уникальные возможности. Он способен удовлетворить потребности самой передовой портативной гибкой электроники, – рассказывает соавтор исследования Сын Ву Ли (Seung Woo Lee) из Технологического института Джорджии. – Мы также можем объединить этот суперконденсатор с энергозахватными механизмами, чтобы снабжать энергией биомедицинские датчики, потребительскую и военную электронику и другие устройства".

Максимальная мощность и плотность энергии суперконденсаторов на бумажной основе оцениваются в 15,1 мВт/см2 и 267,3 мкВт/см2, соответственно, что значительно превосходит обычные показатели бумажных или текстильных суперконденсаторов, отмечают авторы. Но совершенству, как известно, нет предела.

Пока что учёные работали лишь с небольшими образцами нового матерела, однако в будущем, по их словам, можно будет создавать листы металлизированной бумаги любого размера. Всё зависит от резервуаров, в которые опускается лист. Хотя команда планирует не ограничиваться ими и опробовать также технологию распыления.

Кроме того, тот же метод поэтапной обработки исследователи хотят опробовать с тканями.

Сейчас их основная цель – установить оптимальную толщину для каждого слоя, чтобы обеспечить максимальную проводимость. Кроме того, чтобы снизить затраты, можно попробовать заменить золото менее дорогими металлами – серебром или медью, добавляет Ли.

Более подробно о бумажных суперконденсаторах будущего рассказывается в статье, которая была опубликована в издании Nature Communications.

Добавим, что ранее исследователи представили эластичный суперконденсатор из однослойных углеродных нанотрубок, а также придумали, как создавать устройства для хранения энергии из обычной макулатуры и опавших листьев.

Сегодня