Новый углеродный материал для высокоемких суперконденсаторов
Ученые КНИТУ-КАИ получили экономичный пенографит – альтернативу низкопроводному техническому углероду и дорогостоящему графену
Группа молодых ученых из Казанского национального исследовательского технического университета (КНИТУ-КАИ) создала инновационный метод получения пенографита — углеродного материала нового поколения, который позволяет значительно повысить электропроводность электродов для суперконденсаторов. Специалисты университета решали задачу получения углеродных материалов, которые легко синтезируются, экономичны и могут применяться в крупномасштабном производстве.
Так, для решения стратегической задачи по освоению Севера необходимо обеспечивать высокую надежность пуска двигателей техники в условиях низких температур. Для запуска двигателей грузового транспорта требуются высокие токи, но если температура опускается ниже минус 40 0С, то ни литий-ионные, ни свинцово-кислотные аккумуляторы не могут их обеспечить. Суперконденсаторы занимают особое место в современной энергетике: они способны накапливать электрическую энергию и отдавать ее быстрее любого традиционного аккумулятора. Однако долгое время они уступали аккумуляторным батареям по общему количеству накопленной энергии. В транспортной отрасли и в авиационной промышленности, где каждый грамм на счету, требуются еще более эффективные решения.
Промышленные компании производят в основном двойнослойные суперконденсаторы, тогда как гибридные суперконденсаторы обладают значительно большей энергией. Углеродные материалы активно используются практически во всех типах суперконденсаторов благодаря их высокой удельной площади поверхности и проводимости.
Группа казанских исследователей сосредоточилась на создании трехмерных электродов на основе углеродсодержащих композитов с повышенной электропроводностью.
«Новое направление в разработке химических источников тока - использование трехмерных электродов, которые из-за большей плотности активных веществ могут обеспечить более высокую удельную емкость, - отмечает доцент кафедры нанотехнологий в электронике (НТвЭ) КНИТУ-КАИ Михаил Морозов. - Особенно эффективны они будут при использовании в гибридных суперконденсаторах, которые благодаря протеканию в них электрохимических реакций способны обеспечивать значительно более высокую емкость. Однако разработка высокоемких электродов суперконденсаторов ограничена отсутствием методов получения таких электродов с высокой плотностью упаковки активных материалов, а также недостатком исследований электропроводности трехмерных электродных материалов».
В качестве токопроводящего компонента в аккумуляторах и суперконденсаторах активно используется технический углерод. Однако он имеет низкую электропроводность, поэтому многими научными группами исследуются токопроводящие материалы с более высокой электропроводностью, такие как графен, восстановленный оксид графена и углеродные нанотрубки. Но из-за высокой стоимости и сложности производства этих материалов их массовый выпуск недоступен.
Группа ученых КНИТУ-КАИ нашла неожиданное и элегантное решение. Исследователи разработали простой и экономичный способ синтеза пенографита в обычной микроволновой печи — без сложного оборудования и дорогостоящих технологических установок.
Процесс удивительно прост: окисленный терморасширяющийся графит помещается в керамический стакан, обложенный минеральной ватой, и обрабатывается электромагнитным излучением мощностью 1000 ватт в течение одной минуты. В результате окисленный расширяющийся графит трансформируется в пенографит — материал со сложной трехмерной слоистой структурой, напоминающей складчатую губку на микроскопическом уровне.
Анализ под электронным микроскопом показал, что полученный материал состоит из червеобразных частиц размером в сотни микрометров, имеющих слоистую структуру с толщиной слоев вплоть до нескольких десятков нанометров (нм). С помощью энергодисперсионной спектроскопии определено, что пенографит имеет чистый элементный состав — 100% углерода, без какой-либо примеси. Насыпная плотность колеблется от 5 до 10 г/л, что также характерно для полученного пенографита. Особо примечательно, что эта трехмерная слоистая структура, различимая при сканирующей электронной микроскопии, создает эффективные токопроводящие каналы в различных трехмерных электродах путем инкапсуляции частиц активного материала внутри слоев пенографита.
Были исследованы электроды с двумя типами активных компонентов: активированный уголь для электродов двойнослойных суперконденсаторов и сферический гидроксид никеля для гибридных суперконденсаторов и катодов щелочных аккумуляторов. В качестве проводящей основы для электрода была выбрана крупнопористая никелевая пена из-за ее способности формировать жесткий и надежный проводящий каркас, а также из-за высокой пористости и широкого применения при создании химических источников тока.
Когда ученые добавили пенографит в активные массы электродов для суперконденсаторов, результаты превзошли ожидания. При концентрации пенографита 3% удельная электропроводность смеси активированного угля и пенографита превышает соответствующее значение у смеси активированного угля и традиционного технического углерода, содержащего 10% технического углерода. При увеличении содержания пенографита до 7% удельная электропроводность возрастает в 3,5 раза по сравнению со значением при концентрации сажи 30% и более. Полученные результаты указывают на высокий потенциал использования пенографита в качестве токопроводящего компонента в суперконденсаторах по сравнению с коммерчески доступным техническим углеродом.
Это означает, что пенографит работает эффективнее технического углерода, который используется даже в коммерческих литий-ионных аккумуляторах. При этом пенографит, благодаря своей слоистой структуре, распределяется в активной массе равномерно, заполняя весь объем электрода и обеспечивая надежный электрический контакт. Исследование показало, что пенографит эффективен как для двойнослойных суперконденсаторов (которые используют активированный уголь), так и для гибридных суперконденсаторов (с гидроксидом никеля). Эта универсальность открывает широкие возможности для применения. Исследователи подчеркивают еще одно важное преимущество: технология синтеза пенографита может быть легко масштабирована до промышленного производства благодаря использованию стандартного оборудования и простоте процесса. В условиях импортозамещения и развития отечественной энергетики это имеет особое значение.
Полученные результаты открывают новые возможности в транспортной отрасли, авиационной промышленности, системах рекуперации энергии, электромобилях и портативной электронике. Высокопроизводительные суперконденсаторы с пенографитовыми электродами смогут обеспечить более компактные и легкие источники питания для будущих технологий.
Разработки в области высокоемких суперконденсаторов вызывают интерес у предприятий отрасли. Проект имеет хорошую перспективу коммерциализации и вывода разработки на отечественный рынок.
Исследование выполнено при поддержке гранта Республики Татарстан, предоставленного молодым ученым и молодежным исследовательским группам, а результаты работ опубликованы в журналах «Авиационная техника» и «Russian Aeronautics»