Графеновые ионисторы: еще мощнее!

Пример ионистора.

Гибридные автомобили постепенно превращаются из многочисленных концепт-каров, демонстрирующихся на всевозможных мотор-шоу, в привычных участников дорожного движения. Однако конструкция таких автомобилей продолжает совершенствоваться. В частности, для быстрого высвобождения энергии при ускорении и аккумуляции энергии при торможении предлагается использовать ионисторы.

Однако существующие суперконденсаторы пока обладают слишком малой удельной энергией по сравнению с привычными аккумуляторными батареями. Поэтому основные усилия исследователей направлены на повышение удельной энергии ионисторов.

Различают три различных типа ионисторов – идеальные ионисторы (в которых не протекают электрохимические реакции), гибридные ионисторы (в которых электрохимическая реакция протекает лишь на одном из электродов) и псевдоконденсаторы (в которых электрохимическая реакция протекает на обоих электродах). В качестве материала электрода в ионисторах используется в основном активированный уголь, однако на эту роль активно предлагаются другие модификации углерода, в частности УНТ и графен, что продиктовано в первую очередь увеличением площади поверхности: так максимальная теоретическая емкость для графенового электрода составляет 550 Ф/г. Однако приблизиться к этому значению исследователям пока не удалось.

Рис. 1. СЭМ-фотография графеновых листов.

Дабы восполнить этот пробел, коллектив китайских исследователей получили ионистор, где в качестве электродов используется мезопористый графен (рис. 1), благодаря большой площади поверхности которого ученым удалось добиться удельной энергии ионистора 90 Вт ч/кг при удельной силе тока 1 А/г и комнатной температуре. Для того, чтобы избежать слипания графеновых листов, они были обработаны политетрафторэтиленом. Результаты электрохимических измерений представлены на рис. 2.

Рис. 2. а) Зависимость удельной энергии от удельно мощности ионистора. b) Зависимость удельной энергии от удельной силы тока ионистора. с) Кривые разрядки при различной удельной силе тока. d) Амплитудно-фазовая частотная характеристика ионистора при подаче синусоидального сигнала напряжением 5 мВ в диапазоне частот 100 кГц – 1 мГц.

По сравнению с активированным углем, который широко используется в качестве электродного материала ионисторов, поры в мезопористом графене ощутимо больше, что позволяет использовать ионные электролиты с большим размером молекул, которые не могут проникать в поры активированного угля.

Для практического применения ионисторов в транспортных средствах необходимо, чтобы они могли функционировать по крайней мере при 60⁰С. По этой причине авторами была исследована зависимость емкости двойного электрического слоя от температуры. Было установлено, что эта зависимость описывается уравнением Аррениуса (рис. 3), т.е. повышение температуры, ускоряя движение молекул электролита, способствует образованию двойного электрического слоя.

Рис. 3. Заисимость Аррениуса при различных значениях удельной силы тока.

Основные результаты исследований, представленые в публикации, взяты из работы:

Liu C, Yu Z, Neff D, Zhamu A, Jang BZ Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density. – Nano Lett. 2010 Nov 8. – PMID: 21058713.

Источник(и):

1. nanometer.ru