В настоящее время суперконденсаторы, конденсаторы огромной электрической емкости и с малыми токами собственной утечки, рассматриваются в качестве кандидатов на замену традиционным аккумуляторным батареям во множестве различных областей, начиная от миниатюрной электроники и заканчивая электрическими автомобилями. В большинстве случаев для изготовления электродов суперконденсаторов используют активированный уголь, материал, обладающий огромным значением эффективной площади поверхности. Единственным недостатком активированного угля является то, что этот материал тверд и хрупок, что не допускает его использования при создании гибких суперконденсаторов.
Естественно, на белом свете имеется не только один активированный уголь. Среди известных углеродных материалов еще одним перспективным кандидатом на роль материала электродов суперконденсаторов является графен, углерод, имеющий кристаллическую решетку одноатомной толщины. Графен гибок и невероятно прочен, он обладает высокой электрической проводимостью, за счет чего он может работать на высоких частотах, но, к сожалению, графеновая пленка совершенно не поддается растяжению.
Проблема с эластичностью графена была успешно решена исследователями из Массачусетского технологического института, которые в качестве электродов суперконденсаторов предложили использовать графен, подвергнутый специальной обработке. После этой обработки графеновые пленки приобрели вид изрядно помятого листа бумаги, который, как известно, может растягиваться в некоторых пределах за счет частичного распрямления деформирующих его изгибов. Кроме придания графену свойств эластичности, технология деформации позволила увеличить его эффективную площадь поверхности.
За счет “комкания” и последующего “растяжения” размер графеновой “бумаги” может увеличиться в восемь раз по отношению к первоначальному размеру, а без потерь любых характеристик скомканная графеновая бумага выдерживает 1000 циклов деформации. “Все приведенные здесь значения являются лишь нашими первоначальными успехами” – рассказывает Ксуэнх Жао (Xuanhe Zhao), доцент из Массачусетского технологического института, – “Некоторые усовершенствования разработанной технологии, которые мы собираемся сделать в ближайшее время, позволят нам добиться еще большего уровня деформации графена, увеличить его значение эффективной площади поверхности и увеличить количество циклов деформации”.
Процесс изготовления “скомканного” графена достаточно прост и дешев по сравнению с другими процессами изготовления электродов гибких суперконденсаторов. Берется лист графеновой пленки и размещается в механическом устройстве, которое деформирует графен в одном направлении, создавая последовательность параллельных сгибов. Затем материал поворачивается и подвергается еще нескольким циклам “комкания” под разными углами, получая абсолютно хаотично деформированную структуру поверхности.
В качестве изолирующего слоя суперконденсатора используется тончайший слой гидрогеля, гибкого и эластичного материала, зажатого между двумя слоями “скомканного” графена.
“Создание суперконденсаторов, выдерживающих изгибание, растяжение или другие виды деформации, является достаточно сложной проблемой, над которой уже достаточно давно и не очень успешно бьются различные группы ученых” – рассказывает Дэн Ли (Dan Li), профессор из университета Монаша (Monash University), Австралия, – “Теперь, благодаря работе исследователей из Массачусетса, момент появления гибких портативных устройств аккумулирования энергии на основе суперконденсаторов стал намного более близок”.