Коллектив материаловедов из Франции и Канады разработал новый материал для микроразмерных суперконденсаторов, поверхностная емкость которого превышает аналоги в 1000 раз и практически достигает значений, характерных для литий-ионных батарей. Этот класс устройств позволяет создавать токи значительно выше, чем у классических аккумуляторов, однако главной его проблемой является низкая объемная емкость. Разработка описана в журнале Advanced Materials, кратко о ней рассказывает пресс-релиз Национального научно-исследовательского института (Канада).

Основой для нового материала стала золотая сеточка, содержащая полости размером от 50 нанометров до 20 микрометров. Она была получена путем осаждения золота на поверхность, на которой происходило интенсивное выделение водорода. Образующиеся пузырьки работали как динамически изменяющийся шаблон, который мешал золоту сформировать равномерную пленку. Поверх золота исследователи осадили оксид рутения, основной материал, запасающий заряд.

Оксид рутения — псевдоконденсатор, и помимо возникновения двойного электрического слоя, в котором и запасается энергия конденсатора, в нем протекают обратимые электрохимические процессы, связанные проникновением различных ионов в активный материал электродов. То есть он сочетает в себе свойства аккумулятора и конденсатора.

Поверхностная емкость у полученного устройства составила около 3,5 фарада на квадратный сантиметр. Для сравнения, более традиционные материалы конденсаторов, такие как активированный уголь, графен и углеродные нанотрубки обладают емкостями порядка 0,5–2,1 микрофарада на квадратный сантиметр. Такое большое значение емкости соответствует высоким значениям запасенной поверхностной энергии — порядка 126 микроватт-часов на квадратный сантиметр, всего в 10 раз меньше, чем у литий ионных аккумуляторов.

Сравнение емкости конденсаторных материалов (восстановленный оксид графена, графен, многослойный графен, углеродные нанотрубки и другие материалы) с предложенным авторами (внизу). Изображение: Anaïs Ferris et al. / Advanced Materials, 2015

Как и другие устройства для запасания энергии микросуперконденсаторы могут применяться в различных беспроводных приборах. При этом их размеры могут составлять всего несколько квадратных миллиметров, что позволяет встраивать их, например, в микросхемы. При этом они имеют практически неограниченное количество циклов перезарядки и могут работать в различных температурных режимах.

Автор: Владимир Королёв