Сотрудники Омского политеха разработали новый материал для суперконденсаторов

Омский государственный технический университет – участник федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030»*, победитель в базовой части гранта. Приоритетными направлениями развития вуза являются исследования в области микроэлектроники, космических технологий и креативных индустрий.

Ученые ОмГТУ совместно с исследователями Омского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук усовершенствовали материал для энергонакопительных устройств. По их словам, предложенный композит на основе углеродных нанотрубок может накапливать в себе в пять раз больше заряда, чем стандартно используемый. Результаты исследования опубликованы в журнале «Физика твердого тела».

Суперконденсаторы (или ионисторы) – достаточно новый и перспективный вид энергонакопительных устройств. Их удельная емкость в сто тысяч раз и более превышает емкость обычных конденсаторов. По сравнению с литий-ионными аккумуляторами, они способны значительно быстрее накапливать и отдавать накопленный заряд, обеспечивая тем самым высокую мощность, поэтому устройство может применяться как источник резервного питания для такого аккумулятора, обеспечивающий его стабильную работу в момент пиковых нагрузок. Например, в момент быстрого набора высоты беспилотным летательным аппаратом, суперконденсатор способен сгладить «просадку» напряжения в системе электропитания.

В настоящее время устройства применяются в качестве источников питания в предпусковых устройствах для «холодного» старта двигателей, импульсных излучателей и даже электронных замков, а также в качестве источников основного и дополнительного питания электротранспорта. Возможность быстрой зарядки суперконденсаторов позволяет эффективно использовать их в системах рекуперации энергии, выделяемой при торможении электротранспорта.

По словам одного из разработчиков Сергея Несова, традиционно для изготовления электродов этих устройств применяются различные углеродные материалы. Они обладают высокой электропроводностью, но не имеют способности накапливать большой заряд. Углеродные нанотрубки – особый вид углеродного материала. Высокая прочность и гибкость делают их привлекательными для формирования новых композитов.

С другой стороны, специалисты отмечают, что оксиды некоторых переходных металлов (рутения, марганца, никеля, кобальта) могут обладать значительно большей удельной емкостью, но в «чистом» виде в качестве электродного материала суперконденсаторов их не используют из-за высокого электросопротивления. Исследователи ОмГТУ предложили распределять оксиды металлов по поверхности углеродных нанотрубок, что позволит решить эту проблему и одновременно с этим повысить площадь активной поверхности электродного материала, а, следовательно, повысить и удельную емкость.

Сергей Несов, доцент кафедры «Физика» ОмГТУ:

«В нашей работе мы покрывали поверхность углеродных нанотрубок сплошными слоями оксида марганца. Это позволило повысить количество заряда, который способен запасать материал в 3-4 раза в зависимости от величины разрядного тока».

По его словам, дальнейшая термическая обработка композитного материала приводит к преобразованию сплошных слоев оксида марганца в наночастицы размерами не более 20 нанометров, которые прочно закрепляются на поверхности углеродных нанотрубок за счет образования химических связей. Удельная емкость такого материала при этом повышается практически пятикратно по сравнению с «чистыми» углеродными нанотрубками.

Исследователи считают, что полученные в работе результаты расширяют базу экспериментальных сведений о структуре и свойствах наноматериалов, а разработанные лабораторные технологии получения эффективных электродных материалов для суперконденсаторов могут быть достаточно быстро масштабированы до полупромышленного и промышленного производства.

Дальнейшие исследования по данной тематике будут направлены на разработку материалов для создания эффективных суперконденсаторов с высокой удельной емкостью и стабильностью характеристик. Кроме этого, уже в настоящее время ведутся работы по изготовлению экспериментальных образцов с электродами на основе разработанного композитного материала.

Часть исследований выполнена с применением технопарков Санкт-Петербургского государственного университета, НИЦ «Курчатовский институт», а также оборудования лаборатории технологии химических источников тока Омского научного центра СО РАН.

Разработка проводится в рамках стратегического проекта «Сверхширокополосная СВЧ-микроэлектроника» программы «Приоритет 2030».

*Программа «Приоритет 2030» позволит сконцентрировать ресурсы для обеспечения вклада российских университетов в достижение национальных целей развития Российской Федерации на период до 2030 года, повысить научно-образовательный потенциал университетов и научных организаций, а также обеспечить участие образовательных организаций высшего образования в социально-экономическом развитии субъектов Российской Федерации. Ее основная цель – сформировать широкую группу университетов, которые станут лидерами в создании нового научного знания, технологий и разработок для внедрения в российскую экономику и социальную сферу. 

Источник: отдел по связям с общественностью ОмГТУ