Трёхмерные графеновые сферы сделают суперконденсаторы по-настоящему супер

Графен стал очень популярным в научных кругах после того, как был представлен в 2004 году. Материал представляет собой слой углерода толщиной в один атом; было установлено, что он обладает настолько замечательными свойствами, что его первооткрыватели в 2010 году были удостоены Нобелевской премии. Графен невероятно лёгок и обладает отличной электропроводностью. Это привело к его использованию в прототипах суперконденсаторов, но сделать эти устройства масштабируемыми оказалось сложной задачей. Команда исследователей из Национального института науки и технологии города Ульсан в Южной Корее, возможно, решила этот вопрос путем включения графена в крошечные трёхмерные сферы.
Суть суперконденсаторов состоит в том, чтобы быстро накопить значительный заряд, потом удерживать его продолжительное время, затем также быстро отдать. Суперконденсаторы представляют собой золотую середину между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями - скорость и мощность конденсаторов с большей энергией хранения батареи. Эти устройства также представляют интерес по той причине, что они могут запасать заряд много раз, прежде чем будут изношены.
В то время как существующие суперконденсаторы имеют довольно слабые возможности в плане плотности запасаемой энергии, их плотность мощности значительно выше, чем у любой литий-ионной ячейки. Графен в данном случае рассматривается как идеальный материал, поскольку в дополнение к высокой проводимости он обладает огромной площадью поверхности по отношению к его массе. Из-за этого он может быть использован для увеличения плотности мощности и скорости зарядки, одновременно снижая вес конденсаторов.
Технологические процессы, используемые для изготовления листов графена, довольно разнообразны, наиболее же распространённым является химическое парофазное осаждение (chemical vapor deposition, CVD). При этом из всех процессов CVD является не самым эффективным. Суперконденсаторы на основе графена должны быть значительно более экономичными, чтобы доказать свою жизнеспособность; именно над этим и поработали южнокорейские специалисты во главе с профессором Чи Хун Янг (Ji-Hyun Jang). Новый подход даёт возможность синтезировать трёхмерную графеновую наносеть (3D GNS) посредством всё того же CVD.
Вместо того чтобы создавать листы графена и компактно укладывать их в суперконденсаторы, исследователи смогли «вырастить» крошечные сферы графена, которые сохраняют превосходные электрические свойства двумерного графена. Этот техпроцесс будет в состоянии производить настраиваемые 3D-структуры графена с гораздо большей легкостью (и с меньшими затратами), чем нынешние методы.
Исследователи называет сферические структуры «мезопористыми графеновыми сферами»; они усиливают сверхпроводники на основе графена в двух важных направлениях. Графеновые наносети усиливают и без того высокую проводимость графена, тем самым увеличивая проводимость суперконденсатора. Мезопоры в графеновых сферах также образуют мельчайшие каналы переноса ионов, улучшая долгосрочность работы сверхпроводника. Сверхпроводники, созданные командой профессора Янг, показали невероятный уровень устойчивости. После 10 тысяч циклов перезарядки ёмкость составляла 96% от первоначального значения. Распространённые сейчас аккумуляторы выдерживают, в лучшем случае, несколько сотен циклов.
Исследователи сумели к настоящему моменту произвести несколько граммов мезопористых графеновых сфер, что на самом деле больше, чем кажется. Если процесс окажется масштабируемым настолько, насколько надеется Янг, он сможет сделать суперконденсаторы полезными для значительно более широкого круга применения. Сотовые телефоны смогут использовать суперконденсаторы для подзарядки в течение нескольких минут, и подзарядка электромобилей станет занимать меньше времени, чем заполнение бака бензином.