Ключ к экологичным конденсаторам: как 2D-нанонаполнители меняют игру в зелёной энергетике

Исследователи из Хьюстонского университета, Университета Джексон Стейт и Университета Ховарда сделали важный шаг на пути к более экологичному будущему. Команде удалось создать гибкий конденсатор с рекордно высокой плотностью энергии.

Разработка, описанная в журнале ACS Nano как «Сверхвысокая емкостная плотность энергии в стратифицированных полимерных диэлектрических пленках с 2D нанонаполнителями», открывает широкие перспективы для преобразования систем хранения энергии в различных сферах — от медицины и авиации до электромобилей, потребительской электроники и оборонной промышленности.

Диэлектрические конденсаторы играют неоценимую роль во множестве электронных устройств и энергосистем, так как способны быстро высвобождать большие объемы энергии.

«Они являются основой надежного энергоснабжения, особенно в условиях перехода к возобновляемым источникам энергии», — подтверждает Аламгир Карим, профессор химической технологии Хьюстонского университета и научный руководитель проекта. Однако существующие конденсаторы значительно уступают другим накопителям, например аккумуляторам, по емкости.

Чтобы решить проблему, ученые создали уникальную конструкцию из слоистых полимеров, пропитанных двумерными нанонаполнителями. Эти нанонаполнители получают посредством механического расщепления чешуек 2D-материалов.

Как отмечает Карим, для наращивания энергетической емкости в конденсаторах важно учесть два ключевых аспекта — усовершенствовать диэлектрическую проницаемость материалов и увеличить их прочность.

Материалы были расположены в отдельных слоях — так, чтобы получилась структура, похожая на сэндвич и оптимальная для функционирования конденсатора. Эта сверхтонкая конструкция, толщина которой меньше человеческого волоса, превосходит по эффективности обычные конденсаторы со случайно распределенными нанонаполнителями, демонстрируя рекордную плотность энергии около 75 Дж/см³ при высоком КПД.

Ученые показали, что упорядоченное расположение двумерных нанопластинок предотвращает электрический пробой, особенно при использовании таких материалов, как слюда и гексагональный нитрид бора. Что примечательно, изолирующие свойства материала улучшаются даже если доля нанонаполнителей в полимерном материале составляет всего 1%.