::: reklama@pbprog.kz
::: editor@pbprog.kz
::: webmaster@pbprog.kz
Разработано устройство накопления энергии, которое обеспечивает лучший баланс между ёмкостью и скоростью разряда
По мере уменьшения размеров электроники требуются более мелкие компоненты, в том числе для хранения энергии. Батареи накапливают много энергии, но отдают её медленнее, в то время как суперконденсаторы могут быстро заряжаться и разряжаться, но не накапливают много энергии. Это относится не только к более крупным батареям и суперконденсаторам, но и к гораздо более мелким, при этом как микробатареи, так и микросуперконденсаторы имеют те же ограничения, что и их более крупные аналоги.
Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) разработали гибридный вариант накопления энергии, который обеспечивает лучший баланс между ёмкостью и скоростью разряда. Компонент, названный микроконденсатором с ионным цинком (ZIMC), однажды может найти применение в компактных устройствах, таких как носимые устройства, медицинские имплантаты и устройства Интернета вещей.
Устройство сочетает в себе элементы микро-конденсаторов и микро-батарей в небольшом встроенном формате. Исследователи разработали пористые трехмерные электроды со взаимными контактами (IDE) из золота в качестве токосъемников, используя динамическое барботажное электроосаждение, которое создает пористую структуру с относительно большой площадью поверхности.
Токоотводы — это тонкие металлические слои, которые переносят электроны между электродами и внешней цепью (как в направлении к электроду, так и от него). Уменьшение толщины токоотводов — один из ключевых способов уменьшения размеров устройств хранения энергии.
С помощью технологии микроплоттера пористые токоотводы были заполнены различными материалами для создания двух электродов. Исследователи добавили ионы цинка в IDE, чтобы сформировать анод, похожий на батарейку, и активированный углерод, покрытый проводящим полимером PEDOT, чтобы создать гибридный катод, похожий на конденсатор.
Пористая структура IDE позволяет загружать в электроды больше активного материала — ионов цинка и активированного углеродно-PEDOT-материала. Это повышает энергоёмкость устройства, а также облегчает протекание тока, поскольку площадь контакта между токоприёмниками и электродами относительно велика.
Пористая структура ИДЕ также улучшает движение ионов внутрь и наружу электродов, увеличивая количество заряда, который можно накопить. В устройстве цинковый анод накапливает энергию, как аккумулятор, за счёт осаждения и удаления ионов цинка. Однако катод быстро накапливает и высвобождает энергию, используя как двойную ёмкость, так и быстрые окислительно-восстановительные реакции.
Эта разработка обеспечивает больше энергии и мощности в меньшем корпусе, чем микросуперконденсаторы, но не накапливает столько же энергии, сколько микроаккумуляторы. Вместо этого она представляет собой нечто среднее между двумя традиционными архитектурами: быстрая зарядка и разрядка, длительный срок службы в тысячи циклов зарядки-разрядки, меньший риск перегрева и площадь устройства всего 0,4 квадратных сантиметра.
ZIMC, разработанные в рамках этого исследования, накапливают около 1,2 микроватт-часа энергии на квадратный сантиметр, что меньше, чем 0,37 милливатт-часа на квадратный сантиметр для микробатарей. Однако ZIMC заряжаются быстрее и выдерживают больше циклов зарядки. По сравнению с микросуперконденсаторами ZIMC имеют гораздо более высокую удельную мощность (640 микроватт на квадратный сантиметр по сравнению с 0,0056 мВт/см²), что означает, что ZIMC могут быстро отдавать больше энергии, чем микросуперконденсаторы.
ZIMC также хорошо работают в сравнении с другими гибридными устройствами хранения энергии, разработанными в прошлом. Гибридные устройства хранения энергии на основе лития и натрия накапливают больше энергии, чем эти ZIMC, но ZIMC потенциально более безопасны и долговечны. ZIMC также можно производить непосредственно на чипах с помощью простых методов обработки.