Техника - молодёжи 2010-08, страница 8

XXI — век нано

2Q10 №08 ТМ

Суперконденсаторы можно делать с нанопорами...

Слова с приставкой «нано» пока еще воспринимаются как некое новое явление в нашей жизни. Однако в действительности наноструктурированные материалы применяются уже сравнительно давно, причём в хорошо известных нам приборах.

Так, в Удмуртии Сарапульский завод «Элеконд» производит электролитические конденсаторы, выдающиеся характеристики которых определяются применением в них наноуглерода. В сотрудничестве с Физико-техническим институтом Уральского отделения Российской академии наук на «Элекондс» разрабатывают нанотехно-логии изготовления алюминиевых оксидно-электролитических, танталовых объёмно-пористых, танталовых и нио-биевых оксидно-полупроводниковых конденсаторов.

И во всех используются материалы с сетью ветвистых нанопор. Поры образуют поверхность, которая на порядки увеличивает рабочую площадь электрода, а следовательно, ёмкость конденсатора. В алюминиевых конденсаторах поры получают травлением, в танталовых и ниобиевых — прессованием. Затем их окисляют и пропитывают различными электролитами.

Новое направление — суперкоидеи-саторы, или ионисторы. Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделённые сухим сепаратором, то ионистор — это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. Роль обкладок в нём играет двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита, Его толщина очень мала,'поэтому ионистор может запасать большую

энергию, чем обычный конденсатор сравнимого размера. Но ещё больший эффект обеспечивается тем, что, применив для изготовления электродов пористый материал, в ионисторе можно многократно увеличить площадь электрода — ведь электролит жидкий, — а значит, общую площадь хранящего энергию слоя, то есть энергоёмкость.

В Сарапуле делают электроды с использованием папопористого углерода. Получаются экологичные и, в сравнении с аккумуляторами, лёгкие накопители электроэнергии. Уже разработаны и внедрены в производство суперконденсаторы ёмкостью 120 и 3600 Ф на напряжение 2,3 В, не уступающие зарубежным аналогам. Батарея из шести таких конденсаторов фактически представляет собой аккумулятор, удобный для применения, в частности, на гибридных транспортных средствах, сочетающих силовые установки разных типов. Таких, например, как автомобили типа японской «Тойоты Приус», которая успела завоевать зарубежные рынки.

Ионистор может служить для рекуперации энергии при торможении или стартёрного пуска любой автотехники. Быстрая зарядка и высокая мощность позволяет использовать его в источниках питания, встро- и солнечных установках и т.п. Спрос па суперконденсаторы — сотпи тысяч штук в год.

...а можно — из нанотрубок

Из углеродных нанотрубок (УНТ) делают не только разного рода экзотические устройства типа приёмника из одной УНТ («ТМ» Мг5 за 2008 г.) или искусственных мышц («ТМ» М®5 за 2010 г.), которые пока далеки от практического применения. Из них можно делать вещи' полезные уже сегодня. Например, гибкие су пер конденсаторы.

Здесь «работает» комплекс свойств, которым обладает тонкое покрытие из неупорядоченных одностенных УНТ: хорошая проводимость, высокая электрохимическая стойкость и механическая прочность. Применительно к задаче создания конденсатора первое свойство позволяет в некоторых случаях обойтись без использования металлического коллектора, второе даёт УНТ заметное преимущество но сравнению с многими другими материалами.

Метод создания гибких печатных кон-

Сетка из одностенных УНТ под сканирующий зандовым микроскопом (а) и гибкий печатный суперкондеисатор с твёрдым гелевым электролитам на ее основе 16/

денс.аторов на основе УНТ предложен группой учёных из Калифорнийского и Стэнфордского университетов. Их прибор состоит из двух плёнок УНТ-покрытия, разделённых полимером или жидким электролитом; при этом плёнки служат одновременно электродами и коллекторами тока.

Из нужного количества УНТ при помощи ультразвука приготовили водную суспензию (1-2 мг/мл), которую распылили на подложку из полиэтиленте-рефталата. Получили покрытие толщиной 0,6 мкм с электрическим сопротивлением 40-50 Ом. Исследовались устройства с электролитами трёх типов: твердый гель, содержащий фосфорную кислоту; водный раствор серной кислоты и поваренной соли; и гексафто-рофосфат лития в органическом растворителе. Образцы показывают плотность энергии до 6 Вт* ч/к г и удельную мощность 23 и 70 кВт/кг для водных и гелевых и органических электролитов соответственно.

Получить полностью печатные структуры удалось только для системы с гелем, так как использование жидких электролитов требует очень тщательного контроля утечек.

Картридж на 50 терабайт

Кассетные накопители на магнитной ленте находят сегодня всё более широкое применение в качестве устройств долговремеиного хранения больших массивов данных — архивов, библиотек и т.п. Объясняется это их большой ёмкостью при малом энергопотреблении и достаточной компактности. Так, одна из лучших серийных кассет, LTO Ultrium 5 (рис. 1) при размерах 102,0 х 105,4 х 21,5 мм хранит 1,5 ТВ информации. Это если производить многократную запись; при однократной -емкость удваивается.

Теперь доказано, что это далеко не предел. Используя новые принципы формирования магнитной плёнки,