Ученые из Сколковского Института Науки и Технологии (Россия) и Университета Аалто (Финляндия) предложили новый метод изготовления уникальных суперконденсаторов, основанных на электродах из однослойных углеродных нанотрубок и сепараторе из бор нитридных нанотрубок. Такие конденсаторы могут использоваться в современной портативной электронике.

В настоящее время исследования в области гибких и эластичных суперконденсаторов сосредоточены на изготовлении подходящих для этих целей электродов, поскольку они больше всего влияют на производительность устройства. Однако, помимо этого, сепарирующий слой для таких суперконденсаторов по-прежнему остается относительно неизведанным элементом.

Помимо того, что сепараторные материалы для эластичных суперконденсаторов должны быть пористыми и химически стабильными диэлектриками, они должны выдерживать многочисленные тесты на изгиб и растяжение без появления серьезных структурных повреждений, чтобы их можно было использовать в носимой и портативной электронике. Материалами, отвечающими вышеупомянутым требованиям, являются полимеры и электролиты на основе полимеров. Однако, несмотря на их дешевизну и не токсичность, такие материалы демонстрируют плохое смачивание водными электролитами и имеют слабую механическую прочность. Кроме того, их толщина для суперконденсаторов достаточно велика (0,2 мм), что приводит к высоким внутренним сопротивлениям устройств на их основе. Именно нанотрубки из нитрида бора (БННТ), которые использовались в данной работе, представляют собой диэлектрический наноматериал с уникальными прочностными и эластичными свойствами, и, таким образом, считается идеальным для эластичных сепараторов. Другим ключевым компонентом суперконденсатора, как было упомянуто ранее, являются электроды, которые должны быть высоко проводящими и механически стабильными. В данном проекте исследователи использовали пленки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), поскольку такой материал имеет уникальную пористую структуру, высокую удельную площадь поверхности, низкое удельное электросопротивление и высокую химическую стабильность, наряду с высокими прочностными показателями.

Сепаратор из БННТ толщиной всего 500 нанометров обеспечивает надежную защиту от короткого замыкания и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) эластичного суперконденсатора. Устройство, изготовленное в конфигурации тестовой ячейки для характеризации материалов, входящих в него, сохраняет 96% от его начальной емкости после 20 000 циклов зарядки/разрядки, при очень низком эквивалентном последовательном сопротивлении 4,6 Ом. Эластичный прототип суперконденсатора выдерживает по меньшей мере 1 000 циклов деформации на 50% растяжения от начальной длины при небольшом увеличении объемной емкости и объемной плотности мощности после растяжения. Кроме того, в сравнении с имеющимися устройствами такого типа, данный эластичный прототип имеет низкое сопротивление, равное 250 Ом.

«В этой работе мы выбрали пленки ОУНТ и БННТ в качестве электродов и сепаратора эластичного суперконденсатора, соответственно, которые легко используются вместе благодаря их структуре, усиливающей связь на интерфейсе двух материалов и позволяющей тестировать и характеризовать устройство в целом при механическом растяжении. Мы успешно решили проблему снижения толщины и сопротивления сепараторного слоя, сохраняя эластичные свойства устройства», — говорит первый автор статьи, опубликованной в журнале семьи Nature, Scientific Reports, аспирант Сколковского Института Науки и Технологии, Евгения Мильштейн.

«Технология изготовления таких суперконденсаторов очень проста, поскольку она основана на методах сухого осаждения и аэрографии. Благодаря своей стабильной работе устройство является перспективным для носимой электроники и гибких систем хранения энергии», — говорит профессор Сколковского Института Науки и Технологии, Альберт Насибулин.

Изображение сепаратора из БННТ, нанесенного на ...

Изображение сепаратора из БННТ, нанесенного на электрод из пленки ОУНТ, полученное сканирующим электронным микроскопом, (Б) спектры импеданса эластичного суперконденсатора (синим) после 1000 циклов растяжения на 25% удлинения (черным), 50% удлинения (красным); (В) циклические вольтамперометрические спектры изготовленного эластичного суперконденсатора (синим), растянутого на 25% (черным) и 50% (красным) после 1000 циклов растяжения.

Ссылка на статью: Gilshteyn, E. P., Amanbayev, D., Anisimov, A. S., Kallio, T., & Nasibulin, A. G. (2017). All-nanotube stretchable supercapacitor with low equivalent series resistance. Scientific Reports, 7(1), 17449. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17801-4