Новые конденсаторы из нанотрубок могут заменить привычные аккумуляторы

Учеными из Университета Райса создан твердотельный суперконденсатор на основе нанотрубок. Он соединяет в себе свойства батарей и конденсаторов: большую емкость и длительное время хранения энергии с высокой мощностью и быстротой зарядки. Новинка способна работать в самых экстремальных условиях, она сохраняет свою надежность как универсальный источник энергии независимо от применения – от микроустройств до крупных электростанций.

Обычные конденсаторы, сглаживающие скачки напряжения, могут выдерживать цикл зарядка/разрядка сотни тысяч раз. Существуют также суперконденсаторы (электрические двухслойные конденсаторы - EDLC) – гибриды, способные хранить в сотни раз больше энергии, чем обычные, и использующие жидкий или гелеобразный электролит.
Учеными из Университета Райса это жидкий электролит, который нестабильно работает при высоких и низких температурах окружающей среды, был полностью заменен на наноразмерный слой оксида диэлектрического материала.

Масштабному коммерческому использованию будет также способствовать высокая емкость новых конденсаторов, достигнутая использованием углеродных нанотрубок, которые увеличивают площадь поверхности. По мере роста эти нанотрубки самостоятельно собираются в плотные структуры, которые напоминают микроскопические ворсистые ковры. Мельчайший микрочип может содержать в себе сотни тысяч подобных пучков, каждый из которых в длину в 500 раз больше, чем в ширину.

Для того чтобы создать новое устройство, исследователям пришлось вырастить массив пучков в 15-20 нм, состоящих из углеродных нанотрубок длиной до 50 мкм. Потом этот массив был помещен на медный электрод, покрытый тонким слоем золота и титана, после чего пучки нанотрубок (первичные электроды) прошли обработку серной кислотой - это делалось для повышения их проводящих свойств. На следующем этапе нанотрубки были покрыты тонким слоем оксида алюминия (диэлектриком) и алюминием, легированным оксидом цинка (противоэлектрод). Конечным элементом стал верхний электрод – полоска серебряной краски. Итог всех преобразований: конструкция металл/диэлектрик/ металл.

Предложенная учеными технология является стабильной и масштабируемой. Области применения твердотельных накопителей энергии - в гибких дисплеях, имплантатах, датчиках и любых других устройствах, которые требуют быструю зарядку или отдачу тока большой силы. Также новинку можно применять в экстремальных условиях: на солнечных электростанциях в пустыне или на спутниках.