Представьте себе смартфон, облаченный в корпус, который служит не только для защиты, но и в качестве источника электроэнергии, или электромобиль, в котором двери и половая доска накапливают энергию, чтобы двигать его вперед. Такие технологии однажды могут стать реальностью благодаря недавней работе инженеров Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Исследователи разработали так называемый структурный суперконденсатор — устройство, которое обеспечивает как структурную поддержку, так и возможности накопления энергии. Такое устройство могло бы увеличить мощность электронных гаджетов и транспортных средств без увеличения веса, позволяя им дольше работать от одной зарядки.

Хотя концепция структурных суперконденсаторов не совсем нова, создание единого устройства, способного выдерживать механические нагрузки и эффективно накапливать электрическую энергию, было давней задачей. Традиционные суперконденсаторы хороши для накопления энергии, но им не хватает механической прочности, чтобы служить структурными компонентами. С другой стороны, конструкционные материалы могут обеспечить поддержку, но не подходят для накопления энергии.

Теперь команда, возглавляемая Це Нга (Tina) Нг в сотрудничестве с Синью Чжан, профессорами электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Сан-Диего, добилась лучшего из обоих миров в новом структурном суперконденсаторе, о чем недавно сообщалось в Science Advances.

В качестве доказательства концепции исследователи использовали свой конструкционный суперконденсатор для создания миниатюрной лодки на солнечных батареях. Суперконденсатор был отлит по форме корпуса лодки, а затем оснащен небольшим двигателем и электрической схемой. Схема была подключена к солнечному элементу. Под воздействием солнечного света солнечный элемент заряжает суперконденсатор, который, в свою очередь, приводит в действие мотор лодки. В ходе испытаний лодка смогла передвигаться по воде, продемонстрировав эффективность этого инновационного решения для накопления энергии.

Устройство состоит из стандартных компонентов суперконденсатора: пары электродных поверхностей, разделенных электролитом, который облегчает поток ионов между электродами. Что отличает это устройство от других, так это сочетание материалов, подобранных таким образом, чтобы повысить как механическую прочность, так и электрохимические характеристики.

Электроды изготовлены из углеродных волокон, вплетенных в ткань. Эта ткань из углеродного волокна сама по себе обеспечивает значительную прочность конструкции. Кроме того, он покрыт специальной смесью, состоящей из проводящего полимера и восстановленного оксида графена, что значительно увеличивает поток ионов и способность накапливать энергию.

Твердый электролит, еще один важный компонент, представляет собой смесь эпоксидной смолы и проводящего полимера, называемого полиэтиленоксидом. Эпоксидная смола обеспечивает структурную поддержку, в то время как введение полиэтиленоксида способствует подвижности ионов, создавая сеть пор по всему электролиту.

Ключевой конструктивной особенностью здесь является то, что концентрация полиэтиленоксида варьируется в зависимости от электролита, создавая так называемые градиенты концентрации. Участки, прилегающие к электродам, характеризуются более высокой концентрацией полиэтиленоксида. Такая конфигурация помогает ионам течь быстрее и свободнее на границе раздела электрод-электролит, повышая электрохимические характеристики.

Однако более высокая концентрация полиэтиленоксида приводит к увеличению количества пор, что ослабляет материал. Чтобы соблюсти баланс, центральная область электролита выполнена с более низкой концентрацией полиэтиленоксида, гарантируя, что он может обеспечивать структурную поддержку при сохранении эффективного потока ионов.

“Такая конфигурация градиента является ключом к достижению оптимальной производительности электролита”, – сказал Нг. “Вместо использования единой конфигурации электролита мы сконструировали его таким образом, чтобы края, контактирующие с электродами, имели более высокие электрические характеристики, в то время как середина была механически прочнее”.

Хотя это представляет собой значительный прогресс в области структурного накопления энергии, исследователи отмечают, что предстоит еще много работы. Суперконденсаторы, как правило, обладают высокой плотностью мощности, что означает, что они могут быстро выдавать большие порции энергии, но обычно они имеют более низкую плотность энергии по сравнению с батареями.

“Наша будущая работа будет сосредоточена на увеличении плотности энергии нашего суперконденсатора и обеспечении его сопоставимости с некоторыми аккумуляторными батареями”, – сказала первый автор исследования Лулу Яо, аспирантка по материаловедению и инженерии в лаборатории Ng. “Конечной целью было бы достижение как более высокой плотности энергии, так и удельной мощности”.