Получены экспериментальные образцы суперконденсаторов с необычайно большой емкостью на основе двумерного карбида титана

Исследователи из Дрексельского университета (США) продолжают расширять возможности и функциональность семейства двумерных материалов, которые они обнаружили. Их последние результаты позволят разработкам в области хранения энергии выйти на новый уровень.

Около трех лет назад, Юрий Гогоци и Мишель Барсум (Michel Barsoum), профессоры в колледже технических наук Дрексела, обнаружили атомарно тонкие, двумерные материалы, по свойствам похожие на графен, которые имеют хорошую электропроводность и гидрофильные поверхности, которые могут содержать жидкость. Они назвали эти новые материалы "MXenes" (максены). Название отражает процесс их создания, посредством травления и отшелушивания атомарно тонких слоев предварительно нанесенного алюминия на слоистые карбиды "MAX phases". MAX phases являются слоистыми, шестиугольными карбидами и нитридами, имеют общую формулу: M +1 н AX н , (MAX) п = 1 до 3, где М представляет собой переходный металл, а X является либо углеродом либо азотом . Они также были получены и исследованы впервые в Дрекселе около 15 лет назад Мишелем Барсумом.

В этот раз исследователи обнаружили у максенов новую уникальную способность удерживать ионы и молекулы посредством интеркаляции — обратимого включения ионов (в данном случае) между слоями молекул максенов.

Причем используемый в качестве электродов в экспериментальном суперконденсаторе двумерный максен (Ti3C2 , карбид титана), показал удельную емкость, доходящую до 350 Ф/см³, что очень много по сравнению с конкурентными материалами, используемыми для создания электродов.

«Показанный результат значительно превышает возможную емкость современных суперконденсаторов с электродами из пористого углерода, — говорит Мишель Барсум. — Иными словами, теперь мы сможем накапливать значительно больше энергии в меньшем объеме, что особенно важно, если держать в уме нынешнюю тенденцию миниатюризации мобильных устройств при увеличении их энергопотребления».

Высокая прочность одноатомных слоев таких суперконденсаторах, и отсутствие полимерного связующего, позволяет сгибать и разгибать их без ущерба для надежности и функциональности. По мнению авторов исследований, это позволит использовать такие конденсаторы в гибкой электронике, типа дисплеев, встраиваемых системах в различную одежду и т.д.

Для того чтобы оценить, что 350 Ф это очень много, напомним, что на текущий момент лучшие модели ионисторов имеют емкость, исчисляющуюся десятками фарад, при весе более десятка килограмм. Так что, если даже учесть меньшие рабочие напряжения, максеновые аналоги выглядят очень перспективно.

Необходимо также отметить, что пока в качестве материалов для создания экспериментальных суперконденсаторов были использованы только восемь различных видов максенов. Список же доступных материалов намного шире, более 50. «Те впечатляющие емкости, которые мы получаем, еще не предел, — говорит Юрий Гогоци. — Интеркаляция ионов магния и алюминия, которую мы изучаем, может также открыть путь к созданию новых видов металл-ионных батарей».

(По материалам Университета Дрекселя)