Учёные Томского политеха и их китайские коллеги создали микросуперконденсатор, который не боится экстремальных температур. Устройство сохраняет более 75% ёмкости даже после 8000 циклов сгибания.

Томские учёные вместе с исследователями из Китая создали новый тип гибкого планарного микросуперконденсатора. Это миниатюрное устройство для хранения энергии способно работать в широком температурном диапазоне — от минус 30 до плюс 80 градусов Цельсия. Результаты работы опубликовал журнал Journal of Power Sources.

Микроконденсаторы сегодня считают наиболее перспективным типом миниатюрных накопителей энергии. Они обладают высокой мощностью, стабильностью при циклической работе и умеют быстро заряжаться. Однако главная проблема современных гибких аккумуляторов — потеря работоспособности в экстремальных условиях. Электролиты на холоде замерзают, а на жаре высыхают.

Разработка томских учёных решает эту проблему. В основе устройства лежит двумерная однослойная фаза дисульфида молибдена, которую нанесли на восстановленный оксид графена. Наноструктуры MoS₂ имеют форму «цветов», что резко увеличивает полезную поверхность и количество активных центров для хранения заряда. Электролит исследователи изготовили на основе полиакриламида и трегалозы (природного сахара) с добавлением хлорида лития. Трегалоза образует прочные водородные связи с полимерными цепями и молекулами воды. Это одновременно предотвращает образование льда при отрицательных температурах и замедляет испарение влаги при нагреве.

Один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес, отметил, что к современной носимой электронике предъявляют серьёзные требования. Она должна не только обладать высоким объёмом энергии, но и оставаться гибкой, лёгкой, выдерживать перепады температур и движение тела. Новая технология обеспечивает высокую удельную ёмкость и долговечность, при этом использует недорогие материалы, что делает её потенциально перспективной для серийного производства.

Устройство политехников демонстрирует объёмную плотность энергии до 15,0 милливатт-часов на кубический сантиметр. Учёные провели серию тестов, в которых сгибали новые суперконденсаторы. После 8000 циклов устройство сохраняет более 88 процентов ёмкости при комнатной температуре и более 75,5 процента ёмкости в широком температурном диапазоне. Таким образом, разработка стабильно работает при температурах от минус 30 до плюс 80 градусов Цельсия.

Для питания реальных схем конденсаторы могут соединяться последовательно или параллельно, чтобы увеличить напряжение и ток. Такие соединения легко реализовать благодаря простой и недорогой технологии изготовления — струйной печати. Рауль Родригес добавил, что технология подходит для применений, где важны гибкость, безопасность и работа в условиях переменных температур. Например, в носимой электронике, медицинских мониторах и миниатюрных системах бесперебойного питания.

В будущем учёные планируют оптимизировать материалы электродов и состав гидрогеля. Это позволит увеличить плотность энергии и долговечность микроконденсатора для работы в условиях реальной эксплуатации. В исследовании приняли участие учёные научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха и представители Университета электронных наук и технологий Китая.

Lx: 3360