Невероятные кристаллы


Какие возможности дает использование двумерных материалов в производстве суперконденсаторов
09 августа 2017

Одна из приятных черт Новосибирска – большое количество публичных лекций и других мероприятий, популяризирующих современные научные достижения. Проще говоря, у любого активного горожанина всегда есть возможность узнать что-то новое и интересное. Например, про суперконденсаторы, двумерные кристаллы и то, как они меняют окружающую нас действительность. Рассказал об этом в своей лекции Олег Фея, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, научный журналист, участник новосибирского EUREKA!FEST и победитель Science Slam в Москве.

Вначале своего выступления он отметил, что за последние десятилетия резко возрос уровень употребления энергии: в два с лишним раза по сравнению, скажем, с 1970-ми годами. Одновременно с этим серьезно изменилась сама структура потребления энергии. В частности, раньше основным «потребителем» выступали стационарные электроприборы, имеющие проводное подключение к электросети. Сейчас же резко растет доля мобильных устройств, от смартфонов до электромобилей.

И, естественно, что все эти мобильные устройства формируют новые требования к источникам питания. Все потребители хотят, чтобы их смартфоны и планшеты заряжались быстро и сохраняли этот заряд как можно дольше. И производители уже работают в этом направлении - наш портал рассказывал об этом.

Одним из этапов решения этой (и не только этой) задачи стало появление так называемых суперконденсаторов. Что же это такое? Про обычные конденсаторы мы знаем со школьной скамьи, они достаточно просто устроены: две пластинки, расположенные на близком расстоянии, чем больше их площадь и меньше расстояние между ними – тем выше емкость конденсатора. Очевидно, что оба способа увеличения емкости имеют свои ограничения, поскольку зависят от размеров самого конденсатора.

Принцип работы двойного электронного слоя Но люди не были бы людьми, если бы не попытались обойти эти ограничения. Уменьшить расстояние между пластинами удалось с помощью двойного электронного слоя, когда расстояния между ионами и электродами свелись к одному ангстрему. Увеличить площадь пластин, не меняя габариты самого конденсатора, сумели с помощью использования для их изготовления пористого материала (прежде всего, активированного угля). Получившиеся устройства и назвали суперконденсаторами, их емкость была больше, чем у обычных аналогов, в десятки тысяч раз (сейчас эти показатели еще более впечатляющи).

Однако уже первые суперконденсаторы показали и свои «слабые места. Как отметил Олег Фея, они довольно быстро заряжались и столь же быстро разряжались (в среднем за несколько секунд). Это серьезно ограничивало возможность их использования. Для сравнения – средняя литий-ионная батарея (придумана компанией Sony в 1991 году) может обеспечивать до 10 часов работы устройства, которое она питает. К слову, одним из направлений развития этой технологии стали разработки новосибирских ученых, которые пытались запустить в серийное производство на заводе «Лиотех».

Одним из больших минусов литий-ионных батарей стал весьма ограниченный срок службы (обычно 1000-2000 циклов зарядки-разрядки), после которого емкость батареи падает почти до нуля. Суперконденсаторы в этом плане имеют практически неограниченный срок службы (на тестах они без проблем выдерживали миллион циклов).

Продолжительность цикла работысуперконденсатора удается продлить с помощью двумерных кристаллов А вот продолжительность каждого цикла удается продлить с помощью двумерных кристаллов, первым из которых стал ныне широко известный графен, который является атомарным слоем графита (за его создание Новоселов и Гейм получили Нобелевскую премию). В наши дни, конечно, одним графеном дело не ограничивается, есть множество таких кристаллов. И, как отметил докладчик, мы можем наблюдать формирование новой высокотехнологичной отрасли, куда сегодня вкачиваются миллионы долларов инвестиций, которые завтра принесут миллиарды прибыли.

Одним из новых материалов, которые связаны с этой сферой, стали MAX-фазы – маериалы, которые обладают свойствами и металлов (высокая электро- и теплопроводность), и керамики (высокая термоупругость). Впервые их открыли в 1971 году австрийские ученые, но потом это открытие несколько забылось (ввиду неочевидности применения на практике), пока они не были вновь «переоткрыты» в середине 1990-х годов как TizSiC2. К этому времени технологии уже дошли до той стадии развития, когда нужда в подобных материалах была очевидной. Тогда же и родился термин МАХ, где М – это переходной металл (титан, ванадий и т.п.), А – металл третьей подгруппы таблицы Менделеева (алюминий и др.), а Х – углерод или азот.

По своей структуре они напоминают слоеный пирог, в котором можно разорвать связи и получить двумерный кристалл, что и было проделано в 2011 году. Получившиеся кристаллы назвали максины, которые оказались замечательным материалом в усовершенствовании суперконденсаторов.

- В них уже можно загонять литий или магний, - рассказал Олег Фей, - и, тем самым, значительно понижать скорость отдачи энергии при сохранении большой емкости самого материала. Емкость максина составляет примерно 500 фарад на кубический сантиметр. Для сравнения, емкость обычного конденсатора – один нанофарад на тот же кубический сантиметр. То есть, мы видим разницу уже не в тысячи, а в миллионы и более раз.

Одна из последних разработок – бумага-конденсатор из максинов Следующий шаг – совместить максины с пористой угольной пластиной. Это уже будет шаг к гибридным конденсаторам, в которых традиционные металлические обкладки пластин заменяются двумерными материалами. Происходящие в них химические реакции служат как накоплению энергии, так и замедлению ее высвобождения. Для тех же целей предполагают использовать и углеродные нанотрубки (как замену активированного угля), которым в последние годы также уделяют немало внимания. Одна из последних разработок – бумага-конденсатор из максинов. Хотя, как ее будут использовать, – пока до конца не ясно.

Другое дело – более традиционные виды суперконденсаторов – их уже сейчас используют в самых разных областях, причем с каждым днем все шире. Они востребованы там, где надо быстро набрать энергию и так же быстро ее отдать. Например, в городском электротранспорте. Трамвай в китайском городе Гуанчжоу может проезжать отрезки до пяти километров на одном заряде и вновь набрать его за несколько секунд на очередной остановке. Это довольно экологичный вид транспорта и позволяет обойтись без электрических проводов на протяжении самой линии. В Израиле похожим способом питаются троллейбусы на автономном ходу (его «рожки» выдвигаются только при подъезде к остановке, где и происходит быстрая зарядка). Есть еще и фотовспышки, шуруповерты и немало других электроприборов, при изготовлении которых в качестве источника питания используются суперконденсаторы.

Сейчас ищут способы использования их в солнечных батареях, КПД которых рассчитывают значительно повысить благодаря их способности накапливать большие объемы энергии. Так что, эта технология может оказаться еще одним «драйвером» для развития альтернативной энергетики.

Подводя итог, Олег Фея подчеркнул: "С каждым днем расширяется сфера применения суперконденсаторов и, соответственно, будут расти возможности мобильных устройств, которые невообразимым образом меняют нашу жизнь. В частности, мы все меньше будем привязаны к традиционной инфраструктуре электроcетей, что неизбежно приведет и к ее кардинальной перестройке".

Наталья Тимакова