Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали новый тип ионисторов, превосходящий по ёмкости все существующие аналоги в полтора–два раза. В его основе лежит пористая структура, в которой частицы оксида рутения сорбированы на углеродном материале, получившем рабочее название «графеновая пена».

Ионисторы, также именуемые суперконденсаторами, иногда используются для питания маломощных устройств (часов, гарнитур с интерфейсом Bluetooth, датчиков). Однако везде, где длительно требуется поддерживать высокую мощность, их применяют только как вспомогательный элемент гибридной системы питания. Это обусловлено низкой ёмкостью ионисторов по сравнению с аккумуляторными батареями и топливными элементами.

С другой стороны, ионисторы заряжаются в десятки раз быстрее, чем аккумуляторы, и выдерживают десятки тысяч циклов перезарядки. Если бы удалось решить проблему увеличения их ёмкости, то в современной электронике произошла бы маленькая революция: время зарядки различных гаджетов и даже электромобилей сократилось бы в разы.

Первые ионисторы появились в середине XX века и были сделаны на основе пористых угольных электродов. За прошедшее время во многих лабораториях предпринимались попытки улучшить их характеристики. Это позволило NEC, Panasonic и другим фирмам найти ионисторам коммерческое применение, однако до совершенства им было ещё очень далеко.

Команда разработчиков ионистора на частицах оксида рутения из Калифорнийского университета в Риверсайде (фото: ucr.edu).
Команда разработчиков ионистора на частицах оксида рутения из Калифорнийского университета в Риверсайде (фото: ucr.edu).

Экспериментируя с разными составами, исследователи из Риверсайда обнаружили, что «графеновая пена» обладает наноразмерными порами, которые хорошо удерживают частицы оксидов переходных металлов. После серии испытаний выяснилось, что ионисторы на основе оксида рутения оказались самым перспективным вариантом. Они могут безопасно работать в водном электролите, обеспечивая увеличение запасаемой энергии и повышая допустимую силу тока примерно вдвое по сравнению с лучшими из коммерчески доступных суперконденсаторов.

Новые ионисторы хранят больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому их целесообразно применять и в тех областях, где сейчас пока используются аккумуляторы. В первую очередь речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может прочно обосноваться и во многих других областях, включая персональный электротранспорт.

Секрет эффективности новых ионисторов заключается в чрезвычайно точно организованной внутренней структуре, выполненной по результатам компьютерного моделирования.

Вверху: схема нанесения графена, УНТ и частиц оксида рутения на затравку из никеля. Внизу: электронная микроскопия начального состояния и конечная наноструктура (изображение: nature.com).
Вверху: схема нанесения графена, УНТ и частиц оксида рутения на затравку из никеля. Внизу: электронная микроскопия начального состояния и конечная наноструктура (изображение: nature.com).

В качестве затравки выступают частицы никеля, на которых послойно осаждают графен. Он играет роль опоры для углеродных нанотрубок, формирующих вместе с графеном пористую углеродную структуру. В нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Полученная гибридная структура позволяет создать ионистор со следующими характеристиками: удельная ёмкость – 503 фарад на грамм, или 39,28 Вт•ч/кг при удельной мощности 128 кВт/кг.

Ключевым моментом в решении задачи получения высокой ёмкости было создание как можно большей и электрохимически доступной поверхности внутри ионистора. Следовало также обеспечить высокую электропроводность, короткие участки диффузии ионов и хорошую межфазную целостность. По мнению разработчиков, созданная наноструктура как раз даёт оптимальное сочетание этих характеристик.

“Помимо высокой энергоёмкости и внушительных значений других параметров, система электродов из “графеновой пены” также демонстрирует отличные возможности для её масштабирования, – отмечает один из авторов исследования аспирант Вэй Ван. – Это многообещающее начало и основа для идеальных средств хранения энергии”.

Ионисторы с электродами из «графеновой пены» успешно прошли первые тесты, в которых продемонстрировали способность перезаряжаться более восьми тысяч раз без заметного ухудшения характеристик. Полученные результаты были изложены на страницах Nature.