Создана тонкопленочная батарея для портативной и носимой электроники

Создав тонкую пленку для хранения энергии, лаборатория Университета Райса стала обладателем гибкой портативной и носимой электроники.

Химик Джеймс Тур (James Tour) из Университета Райса и его коллеги разработали гибкий материал с нанопористыми электродами из никеля фторида, уложенными слоем вокруг твердого электролита, создав, таким образом, суперконденсатор, который сочетает в себе лучшие качества высокоемкой батареи и мощного суперконденсатора без лития, используещегося сегодня в коммерческих батареях.

Их электрохимический конденсатор имеет толщину около сотой доли дюйма, но может масштабироваться для устройств либо путем увеличения размера, либо добавлением слоев, сказал Райс постдокторант Ян Ян (Yang Yang). Ученые ожидают, что стандартные методы производства позволят получить даже более тонкую батарею.

В тестах исследователи обнаружили, что их устройство площадью квадратный дюйм сохраняло 76% своей мощности для более 10000 циклов перезарядки и 1000 циклов изгиба.

Тур сказал, что команда сосредоточилась на поиске материала, который имеет гибкость графена, углеродных нанотрубок и проводящих полимеров, но при этом обладает гораздо более высокой электрической емкостью, чем обычные неорганические соединения металлов.

«Это не так легко сделать, потому что материалы с такой большой емкостью, как правило, хрупкие, - сказал он. - У нас и ранее были действительно хорошие гибкие системы на основе углерода, но углерод в качестве материала никогда не обеспечивал тех теоретических показателей, которые можно найти в неорганических системах и во фториде никеля, в частности».

По сравнению с литий-ионными устройствами, структура достаточно проста и безопасна. Она ведет себя, как аккумулятор, но на самом деле это суперконденсатор. Если использовать устройство как суперконденсатор, то его можно быстро зарядить с большим током зарядки и разрядить в течение очень короткого времени. Однако для других приложений его можно заряжать и разряжать медленнее, как аккумулятор.

Для создания батареи/суперконденсатора исследователи осадили слой никеля на подложку. Они выгравировали поры диаметром 5 нм в 900-нанометровом толстом слое никеля фторида, создав большую площадь поверхности для хранения заряда. Удалив подложку, они уложили сэндвичем электроды вокруг электролита из гидроксида калия в поливиниловом спирте. Тестирование не обнаружило деградацию структуры пор даже после 10000 циклов перезарядки. Исследователи также не обнаружили существенных ухудшений поверхности раздела электрод-электролит.

«Что касается мощности устройства, то этот показатель является чрезвычайно высоким, и это очень простой метод создания мощных систем, - сказал Тур, добавив, что техника указывает на метод для изготовления других нанопористых объемных материалов. - Мы уже говорили с компаниями, заинтересованными в коммерциализации этого».

Постдокторант Ян Ян из Университета Райса демонстрирует накопитель энергии с лучшими качествами батарей и суперконденсаторов в масштабируемой гибкой упаковке