Двумерный материал электродов позволит зарядить гаджет за доли секунды
Ученые из Дрексельского университета США разработали новую конструкцию электродов для ионисторов, которые позволят заряжать электронные устройства за доли секунды, накапливая при этом гораздо больше энергии, чем суперконденсаторы. Исследование опубликовано в журнале Nature Energy, также о нем сообщает издание IEEE Spectrum.
Помимо привычных химических источников тока, таких как литий-ионные аккумуляторы, существуют и альтернативные устройства для хранения энергии. К примеру, активно развиваются суперконденсаторы, также называемые ионисторами. В отличие от аккумуляторов они могут выдавать ток гораздо большей величины, гораздо быстрее заряжаются, и почти не теряют свои свойства после сотен тысяч циклов работы. На их основе, к примеру, работают экспериментальные автобусы, которые на остановках присоединяются к специальному зарядному устройству и быстро восстанавливают запас энергии.
Существует вид ионисторов, который совмещает многие свойства конденсаторов, но в то же время запасает энергию за счет электрохимических реакций, как и аккумуляторы. Именно над таким устройством и работали ученые. Основой разработанного ими электрода служит так называемый MXene — двумерный материал на основе карбида титана. Материал содержит множество небольших пор, благодаря чему сокращался путь прохождения ионов при зарядке и разрядке, а, соответственно, и скорость этих процессов. Помимо этого материал содержит множество мест для накопления заряда.
Ученые заявляют, что такое строение материала позволит заряжать устройства так же быстро, как и обычные суперконденсаторы, но при этом запасать на порядок больше энергии. Однако, они признают, что достичь такой же плотности энергии, как у литиевых аккумуляторов вряд ли получится в ближайшие годы. Сейчас они работают над созданием подходящего катода, который позволит создать полноценное устройство, готовое к использованию.
В 2015 году ученые создали псевдоконденсатор, обладающий в тысячу раз большей объемной емкостью, чем аналоги. В том же году физики научились следить за отдельными ионами в суперконденсаторах. Это позволило уточнить механизмы, которые происходят в процессе зарядки или разрядки таких устройств.
Григорий Копиев
Сначала он помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а потом снижает трение между соседними кристаллитами
Поливинилиденфторид сделал перовскитные солнечные элементы стабильнее и эффективнее. В процессе синтеза эта добавка помогает перовскиту быстрее закристаллизоваться, а во время эксплуатации выступает своеобразным амортизатором, снижая трение между соседними кристаллитами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Перовскитная фотовольтаика развивается стремительными темпами. Однослойные перовскитные солнечные элементы уже показывают эффективность 25,7 процента, а тандемы кремний-перовскит в декабре прошлого года достигли эффективности 32,5 процента. Главным недостатком перовскитных солнечных элементов остается низкая стабильность. Перовскиты быстро деградируют в присутствии даже следовых количеств воды и кислорода. Высокие температуры также вредны для подобных материалов и особенно — для устройств на их основе. Нагревание ускоряет все губительные для перовскитов процессы — например, миграцию ионов и фазовые превращения. А при чередовании нагрева и охлаждения добавляется механический стресс от многократного расширения и сжатия разных слоев солнечного элемента. Заметно повысить термическую стабильность перовскитов сумели немецкие, британские, китайские и итальянские ученые под руководством Мэна Ли (Meng Li) и Антонио Абате (Antonio Abate) из Берлинского центра материалов и энергии имени Геймгольца (HZB). Ученые решили детально выяснить, как влияет процесс кристаллизации на качество перовскитной пленки и солнечного элемента на ее основе. Перовскитные пленки получают растворными методами — чаще всего накапыванием на вращающуюся подложку (spin-coating). Иодид свинца PbI2, иодид фармамидиния FAI, а также добавки бромида свинца и других солей растворяют в горячей смеси диметилформамида и диметилсульфоксида, и полученный раствор наносят на быстро вращающуюся подложку. Чтобы весь растворитель испарился, а перовскит закристаллизовался, подложки нагревают при температуре 100–200 градусов Цельсия в течение нескольких минут. Абате и Ли работали с перовскитом состава Cs0.05(FA0.98MA0.02)0.95 Pb(I0.98Br0.02)3. Дробные коэффициэнты означают, что часть катионов формамидиния заменены на катионы цезия и метиламмония, а часть анионов иода — на анионы брома. Чтобы управлять процессом кристаллизации, к раствору солей добавили поливинилиденфторид (pV2F). Этот полимер достаточно инертен и не реагирует с перовскитом. В то же время благодаря наличию отрицательно заряженного фтора и положительно заряженного водорода этот полимер может вступать с разными фрагментами перовскитной решетки в диполь-дипольное взаимодействие. Ученые проследили за процессом кристаллизации в реальном времени c помощью метода широкоуглового рентгеновского рассеяния. Оказалось, что длинные молекулы pV2F быстро координируются вокруг растущих перовскитных кристаллитов, оттесняя молекулы растворителя. Благодаря этому кристаллизация перовскита завершается быстрее — за 250 секунд против 350 секунд у образцов без добавок, а сами кристаллиты получаются более упорядоченными и с меньшим процентом пустот. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что средний размер зерна увеличился с 400 до 480 нанометров, а размер шероховатостей уменьшился с 51 до 44 нанометров. Полученные из таких пленок солнечные элементы тоже работали лучше и показывали эффективность до 24,6 процента, а точно такие же ячейки без добавок — только до 22,3 процента Еще заметнее добавка полимера повлияла на стабильность устройств. Элементы с добавками pV2F выдержали 1000 часов работы в жестких условиях — при постоянной температуре 75 градусов Цельсия — и сохранили 88 процентов от начальной эффективности. У ячеек без добавок эффективность к концу эксперимента упала до 56 процентов от начальной. В таком же эксперименте при температуре 25 градусов Цельсия, ячейки с pV2F сохранили 96 процентов начальной эффективности а ячейки без добавок — только 84 процента. Кроме того ячейки с добавками pV2F выдержали 120 циклов термического стресса — охлаждения до минус 60 градусов Цельсия с последующим нагревом до 80 градусов Цельсия, сохраняя до 94 процентов начальной эффективности. У такого впечатляющего улучшения несколько причин. Во-первых, образование диполей на поверхности перовскита облегчило извлечение межфазного заряда и замедлило ионную миграцию. Во-вторых, перовскитный слой с добавками pV2F стал более гидрофобным, то есть менее уязвимым для проникновения молекул воды. Наконец, мягкие полимерные прослойки выступили своеобразными амортизаторами, уменьшая трение перовскитных кристаллитов друг о друга. Поэтому при нагревании и охлаждении перовскит деформировался меньше. Год назад мы рассказывали о базе данных по перовскитным солнечным элементам, разработкой которой руководила одна из соавторов описанной выше публикации — Эва Юнгер (Eva Unger). Вместей с Эвой девяносто четыре ученых из тринадцати стран проанализировали данные из пятнадцати тысяч публикаций. Полученная структурированная информация поможет исследователям наиболее полно сравнивать между собой данные и лучше формулировать гипотезы для новых экспериментов. Сейчас база данных доступна как для чтения, так и для загрузки новых результатов.