Ультраконденсатор заменит автомобильные батареи

Автомобильные батареи в том виде, в котором мы их привыкли видеть, скоро могут стать историей. Хранение энергии в объемных контейнерах ограничивает возможности автопроизводителей и военных инженеров, нуждающихся в легком, мощном и надежном средстве для снабжения энергией двигателей, питания радиоустановок и других электронных приборов.

Исследование Джи Янг Ох (Jiyoung Oh) и Михаила Козлова из Нанотехнологического института Технологического университета Далласа предлагает перейти к новому, легкому и надежному, средству снабжения энергией — мощному ультраконденсатору.

Батареи медленно перезаряжаются, потому что они накапливают энергию химическим путем. А конденсаторы, которые распространены в электронике, заряжаются практически мгновенно, но держат заряд малое время. В последние годы конденсаторы приобрели способность сохранять энергию в тысячи раз дольше, их стали назвать ультраконденсаторами. После их создания ведущие эксперты ожидали их использования в качестве источника питания в устройствах будущего и электроавтомобилях.

Малый вес, надежность, безопасность и эффективность, а также постоянные характеристики — очень привлекательное сочетание свойств для проектировщиков-технологов. Исследователи разработали технологию создания ультраконденсаторов из листов однослойных углеродных нанотрубок с включениями особого полимера, называемого полипирролом. При этом главное заключается в том, что предложенная технология легко может быть использована для производства в промышленных масштабах.

Однако сначала необходимо увеличить их емкость. Китайские исследователи объявили о новом достижении, которое позволит применять ультраконденсаторы на практике.

Ультраконденсаторы имеют простую структуру. Они заряжаются, накапливая напряжения на двух электродах, положительные ионы стремятся к одному электроду, отрицательные — к другому. Энергия накапливается, поскольку электроды покрыты пористым материалом, впитывающим ионы как губка (обычно используется активированный уголь). Поэтому увеличение емкости зависит от степени пористости материала.

Хао Чанг (Hao Zhang) из Пекинского НИИ Химической защиты вместе с коллегами из Пекинского университета испытали множество материалов и остановились на оксиде марганца (MnO), этот материал обладает гораздо большей способностью к накоплению ионов, чем активированный уголь. Но, хотя MnO удерживает иона достаточно хорошо, его высокое электрическое сопротивление приводит к некоторым сложностям при зарядке.

Поэтому исследователи обратились к созданию "нанолугов" из микроскопических структур цветков из оксида марганца, каждого размером около 100 нм на площадке с углеродными нанотрубками "травы" на танталовой металлической фольге. "Каждый цветок присоединен к двум листочкам травы, которые ведут себя как электронная магистраль и формируют устойчивые электрические связи с цветком", — говорит Чанг. Таким образом обычное сопротивление MnO может быть преодолено для привлечения и накопления ионов.

В результате, нанолуга в 10 раз более эффективные, чем обычный MnO и в 2 раза более емкие, чем существующие ультраконденсаторы на основе углерода. Чанг говорит, что общая структура нанолугов устойчива к механическому ухудшению свойств, которое характеризуется снижением характеристик ультраконденсатора со временем. Емкость нового устройства сокращается на 3% после 20 000 циклов.

Майк Бернс (Mike Barnes) из Университета Манчестера называет этот подход "интересным для улучшения свойств конденсаторов".

Но он отметил, что для запуска в производства необходимо добиться еще более высокого уровня устойчивости. В транспортных средствах ультраконденсаторы заряжаются во время торможения, и в условиях городского движения их число достигает 60 раз за час. А за год развозной фургон при пятидневной восьмичасовой неделе наберет 120 000 циклов, поэтому для начала работ по внедрению новых ультраконденсаторов в качестве источников питания требуется улучшить устойчивость к старению хотя бы на 15%.

В настоящее время ультраконденсаторы уже используются в гибриде Honda FCX Clarity, но лишь для получения дополнительной энергии в некоторых режимах работы. Около 200 таких автомобилей эксплуатируются в Южной Калифорнии, США.