В университете «Дубна» запатентовали тонкий суперконденсатор для электротехники
Толщина изделия составляет всего 0,6 мм, что расширяет сферы его применения
Патент «Плоский тонкий суперконденсатор с низким сопротивлением и способ его изготовления» был получен доцентом кафедры нанотехнологий и новых материалов Александром Воропаем в соавторстве с ведущим научным сотрудником Центра новых химических технологий ИК СО РАН Юрием Суровикиным. Обладателем исключительного права на изобретение является Государственный университет «Дубна».
Измерение толщины образца плоского суперконденсатора
Фото: Предоставлено пресс-службой университета Дубна
Измерение толщины образца плоского суперконденсатора
Фото: Предоставлено пресс-службой университета Дубна
Суперконденсатор изготавливается из пористого углерода и углеродного нанокомпозита в виде плоского тонкого устройства с чередованием слоев, включая комбинированный электрод, накапливающий заряд.
Изобретение может использоваться в различных областях промышленности в качестве миниатюрного импульсного источника питания. Например, он может быть внедрен в интернет-вещи, особенно с солнечными элементами, бытовую технику, источники бесперебойного питания, портативные электронные устройства и медицинские носимые аппараты — эта область применения открывается благодаря толщине суперконденсатора 0,6 мм.
Александр Воропай, к.х.н., доцент кафедры нанотехнологий и новых материалов Государственного университета «Дубна», ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Для чего нужен суперконденсатор?
— Суперконденсатор основан на эффекте образования двойного электрического слоя, который возникает на поверхности любого электрода, погруженного в электролит. При этом если на электрод подать потенциал (напряжение), то состав двойного электрического слоя, а именно концентрация ионов электролита на поверхности электрода, изменяется и это приводит к накоплению энергии, а при разряде состав возвращается в исходное состояние. Этот процесс протекает без существенных повреждений самих электродов, именно поэтому ресурс суперконденсаторов намного больше, чем у аккумуляторов.
По своей сути суперконденсатор — это химический источник тока, и применяется он для питания электронных устройств, но его отличает от аккумулятора способность выдавать большую мощность.
На сегодняшний день эти устройства применяются в питании интернет-вещей, портативной электронике, в том числе носимых медицинских гаджетах, в активных RFID-метках и т. д. Также на сегодняшний день эти устройства активно применяются в энергетике в системах оперативного постоянного тока, сетевых накопителях для компенсации пиковых нагрузок, энергороутерах и др.
Фото: Предоставлено пресс-службой университета Дубна
Фото: Предоставлено пресс-службой университета Дубна
Фото: Предоставлено пресс-службой университета Дубна
— Чем суперконденсатор отличается от обычного?
— У них разный принцип работы. Как мы помним из школьного курса физики, классический конденсатор представляет собой две пластины, разделенные непроводящим материалом (это может быть что угодно, начиная от просто воздуха и заканчивая специальными диэлектрическими полимерами). При этом носителями заряда являются электроны. Такое устройство способно очень быстро отдавать энергию, но емкость конденсатора является очень скромной (пика-, микро- или миллифарады) из-за того, что расстояние между пластинами — микрометры, но классические конденсаторы тем не менее могут создаваться под высокое напряжение (400 В или 1000 В). В суперконденсаторе же ионы формируются на поверхности электрода, создавая как бы две противоположно заряженные пластины, расстояние между которыми соизмеримо с размером атомов, поэтому емкость таких систем составляет от единиц до тысяч фарад при тех же размерах. Именно из-за высокой емкости их и прозвали суперконденсаторами. Конечно, за высокую емкость пришлось заплатить напряжением, то есть рабочее напряжение суперконденсатора на сегодняшний день не превышает 3 В. Однако плотность энергии в суперконденсаторах выше. Поэтому они занимают промежуточное положение между аккумуляторами и классическими конденсаторами.
— Почему тонкий суперконденсатор лучше?
— Тренд на уменьшение толщины связан с появление новых областей применения суперконденсаторов, а именно с возможностью создания умной одежды, носимой медицинской электроники. Также это важно и для современных гаджетов, где поверхностный монтаж становится плотнее, а толщина плат меньше. Таким образом, обычные цилиндрические суперконденсаторы или монеточные суперконденсаторы в этом плане проигрывают конкуренцию плоским тонким суперконденсаторам.
— Суперконденсатор может использоваться в качестве источника питания. Как долго он держит заряд? Как его перезаряжают? Безопасно ли это?
— Да, он используется в качестве источника питания и перезаряжается абсолютно так же, как и обычный аккумулятор. Подали постоянный ток — и он заряжен, однако суперконденсатор обладает высокой мощностью, поэтому его можно зарядить буквально за секунды. Так же, как и литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы очень боятся перезаряда, то есть, если подать на него напряжение больше рабочего, начнет разлагаться электролит и устройство выйдет из строя. Саморазряд суперконденсаторов выше, чем у аккумуляторов, но это значит, что он потеряет половину заряда не ранее чем за две недели, поэтому для работы в течение дня его точно хватит. Что касается безопасности, то, несмотря на большое распространение суперконденсаторов, еще не зафиксировано аварий с их участием, то есть их можно считать безопасными, но однако не стоит расслабляться, ведь они применяют горючие органические электролиты, поэтому беречь их от открытого огня и прямых солнечных лучей все же стоит.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки