Коллектив российских физиков при участии сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова внедрил атомы азота в углеродные материалы и измерил ёмкость конденсаторов, изготовленных из них. Оказалось, что включение атомов азота в графеновые наноплёнки приводит к увеличению ёмкость конденсаторов в 6 раз. Учёные также предложили способ создания таких материалов. Отечественная технология позволит создавать гибкие тонкопленочные суперёмкостные источники энергии. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Scientific Reports.
Использование топлива из нефтепродуктов приводит к выбросу в атмосферу парниковых газов, ведущих к негативным экологическим последствиям. Один из путей сокращения таких выбросов — переход автотранспорта на перезаряжаемые аккумуляторы. В современных электромобилях, как правило, используют литий-ионные аккумуляторы в качестве источника энергии. Но производители электрокаров отмечают, что для полного замещения даже обычных легковых автомобилей электрокарами необходимо добывать 1 млн. тонн чистого лития в год. Сейчас объёмы его добычи составляют 60 тыс. тонн в год.
Поиск альтернативных источников энергии, сравнимых по ёмкости и электропроводности с литий-ионными аккумуляторами, — одна из самых острых и перспективных областей современной физики. В последние годы научное сообщество такой альтернативой выдвигает углеродные суперёмкостные конденсаторы на основе графеновых наноплёнок. Несмотря на многочисленные преимущества, существующие прототипы проигрывают аккумуляторам в ключевых характеристиках: ёмкости и электропроводности. То есть существующие аккумуляторы запасают больше электроэнергии и способны выдавать большее напряжение.
Группа российских физиков из МГУ, Сколтеха, МФТИ и ИНМЭ РАН предложила вариант решения проблемы с недостаточной ёмкостью углеродных конденсаторов. «Внедрение атомов азота и кислорода в углеродные материалы позволяет увеличивать электрическую емкость таких материалов без увеличения массы электродов. Механизм такого увеличения емкости до конца не выяснен. В нашей работе было достигнуто увеличение емкости в 4-6 раз после обработки пленок с углеродными наностенками плазмой разряда постоянного тока в азоте и в воздухе, — рассказывает один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Юрий Манкелевич . — Полученные материалы, имеющие кроме того огромную удельную площадь поверхности, могут использоваться для создания гибких тонкопленочных суперемкостных источников».
Внедрение атомов азота в углеродные наноплёнки требует дополнительных этапов в технологическом процессе производства таких конденсаторов. В данном случае необходимо обрабатывать графеновые наноплёнки плазмой переменного тока в воздушной или азотной атмосфере. Учёные отмечают, что такой подход достаточно прост и эффективен. Усложнение производства полностью оправдывает прирост в удельной ёмкости: если в обработанных плазмой плёнках она составила около 600 Ф/г, то в немодифированных была на уровне 105 Ф/г.
В истории развитии электроники первыми устройствами, запасающими электроэнергию, были как раз конденсаторы. С усложнением техники и ростом её энергопотребления на смену конденсаторам пришли аккумуляторы. Тренд последних 15 лет в физике — постепенное возвращение к конденсаторам как к основным источникам энергии.
Современные суперёмкостные конденсаторы всё ещё проигрывают аккумуляторам по ряду параметров, однако их преимущества — гибкость и сильно превосходящее число циклов зарядки/разрядки — сильно расширяют сферу их потенциального использования. А фундаментальные исследования по улучшению физических характеристик конденсаторов постепенно сокращают отставание. Возможно, в ближайшие десятилетия конденсаторы смогут полностью заменить электролитические аккумуляторы.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение