15 сентября в научном журнале Nature Communications были опубликованы результаты исследования, проведенного под руководством профессора машиностроения и аэрокосмической техники Майнака Маджумдера из Университета Монаша в Австралии. Ученые представили инновационный метод манипулирования графеном, позволивший создать вещество с рекордными показателями плотности энергии и удельной мощности.
Новый материал получил название многомасштабный восстановленный оксид графена (M-rGO). В качестве исходного сырья для его производства используется графит — ресурс, широко доступный по всему миру. Полученная физическая структура представляет собой запутанную изогнутую сеть графена с множеством структурных уровней. Этот материал создается путем нагревания графена в ходе специализированного двухэтапного процесса.
Разработка M-rGO эффективно решает проблемы, ограничивавшие развитие технологий ранее. До этого момента суперконденсаторы могли использовать лишь часть своего потенциала накопления энергии из-за физических свойств графена: листы материала прилегали друг к другу слишком плотно, не оставляя пространства для движения ионов. Предыдущие попытки решить эту проблему с помощью трехмерных «губчатых» структур обеспечивали необходимые пути для ионов, но сами конструкции были слишком крупными и громоздкими.
«Запутанная сеть», характерная для M-rGO, устраняет эти недостатки. Она сохраняет необходимые пути для ионов и большую площадь поверхности без создания избыточного объема. Ключевым преимуществом материала является способность обеспечивать быстрое перемещение ионов при одновременном предоставлении значительной площади для накопления энергии, что критически важно для эффективности накопителей.
Материал предназначен для использования в суперконденсаторах, в частности, он интегрируется в элементы типа «pouch cells» — перезаряжаемые батареи, упакованные в тонкие гибкие конверты из ламинированной фольги, а не в жесткие металлические корпуса. В отличие от традиционных батарей, хранящих энергию в химических связях, суперконденсаторы на базе M-rGO накапливают энергию в виде разделенного электрического заряда на поверхностях электродов.
Использование новой технологии обеспечивает превосходную плотность энергии, позволяя хранить больше заряда в заданном пространстве, а также высокую удельную мощность, что означает более быструю отдачу энергии на единицу объема. Кроме того, такие устройства демонстрируют значительно более высокую скорость зарядки по сравнению с обычными аккумуляторами.
Коммерческий потенциал разработки охватывает широкий спектр отраслей. Улучшенные характеристики, такие как увеличенная емкость и сокращенное время зарядки, позволяют питать сложные энергоемкие устройства с помощью аккумуляторов меньшего размера. Целевыми устройствами для внедрения M-rGO являются электромобили, дроны, носимая электроника, ноутбуки, смартфоны и планшеты. Существует реальная перспектива замены традиционных батарей во многих из этих приложений.
Данное достижение встает в один ряд с другими значимыми открытиями, упомянутыми в контексте развития технологий. К ним относятся первый в мире графеновый полупроводник для будущих квантовых компьютеров, графеновые магниты атомного масштаба для уменьшения компьютерных компонентов, а также новые натрий-ионные технологии, которые потенциально могут заряжать электромобили за секунды.
Изображение носит иллюстративный характер
Новый материал получил название многомасштабный восстановленный оксид графена (M-rGO). В качестве исходного сырья для его производства используется графит — ресурс, широко доступный по всему миру. Полученная физическая структура представляет собой запутанную изогнутую сеть графена с множеством структурных уровней. Этот материал создается путем нагревания графена в ходе специализированного двухэтапного процесса.
Разработка M-rGO эффективно решает проблемы, ограничивавшие развитие технологий ранее. До этого момента суперконденсаторы могли использовать лишь часть своего потенциала накопления энергии из-за физических свойств графена: листы материала прилегали друг к другу слишком плотно, не оставляя пространства для движения ионов. Предыдущие попытки решить эту проблему с помощью трехмерных «губчатых» структур обеспечивали необходимые пути для ионов, но сами конструкции были слишком крупными и громоздкими.
«Запутанная сеть», характерная для M-rGO, устраняет эти недостатки. Она сохраняет необходимые пути для ионов и большую площадь поверхности без создания избыточного объема. Ключевым преимуществом материала является способность обеспечивать быстрое перемещение ионов при одновременном предоставлении значительной площади для накопления энергии, что критически важно для эффективности накопителей.
Материал предназначен для использования в суперконденсаторах, в частности, он интегрируется в элементы типа «pouch cells» — перезаряжаемые батареи, упакованные в тонкие гибкие конверты из ламинированной фольги, а не в жесткие металлические корпуса. В отличие от традиционных батарей, хранящих энергию в химических связях, суперконденсаторы на базе M-rGO накапливают энергию в виде разделенного электрического заряда на поверхностях электродов.
Использование новой технологии обеспечивает превосходную плотность энергии, позволяя хранить больше заряда в заданном пространстве, а также высокую удельную мощность, что означает более быструю отдачу энергии на единицу объема. Кроме того, такие устройства демонстрируют значительно более высокую скорость зарядки по сравнению с обычными аккумуляторами.
Коммерческий потенциал разработки охватывает широкий спектр отраслей. Улучшенные характеристики, такие как увеличенная емкость и сокращенное время зарядки, позволяют питать сложные энергоемкие устройства с помощью аккумуляторов меньшего размера. Целевыми устройствами для внедрения M-rGO являются электромобили, дроны, носимая электроника, ноутбуки, смартфоны и планшеты. Существует реальная перспектива замены традиционных батарей во многих из этих приложений.
Данное достижение встает в один ряд с другими значимыми открытиями, упомянутыми в контексте развития технологий. К ним относятся первый в мире графеновый полупроводник для будущих квантовых компьютеров, графеновые магниты атомного масштаба для уменьшения компьютерных компонентов, а также новые натрий-ионные технологии, которые потенциально могут заряжать электромобили за секунды.
