Казанские ученые разработали инновационный метод получения пенографита
Группа молодых ученых из Казанского национального исследовательского технического университета (КНИТУ-КАИ) создала инновационный метод получения пенографита — углеродного материала нового поколения, который позволяет значительно повысить электропроводность электродов для суперконденсаторов.
Суперконденсаторы занимают особое место в современной энергетике: они способны накапливать и отдавать электрическую энергию быстрее любого традиционного аккумулятора. Но пока они имеют существенные ограничения для использования в транспортной и авиационных отраслях, так как уступают аккумуляторным батареям по общему количеству накопленной энергии.
Специалисты КНИТУ-КАИ решали задачу получения углеродных материалов, которые легко синтезируются, экономичны и могут применяться в крупномасштабном производстве. Для этого казанские исследователи сосредоточились на создании трехмерных электродов на основе углеродсодержащих композитов с повышенной электропроводностью.
«Новое направление в разработке химических источников тока — использование трехмерных электродов, которые из-за большей плотности активных веществ могут обеспечить более высокую удельную емкость. Однако разработка высокоемких электродов суперконденсаторов ограничена отсутствием методов получения электродов с высокой плотностью упаковки активных материалов, а также недостатком исследований электропроводности трехмерных электродных материалов», — рассказал один из авторов разработки, доцент кафедры нанотехнологий в электронике КНИТУ-КАИ Михаил Морозов.
В качестве токопроводящего компонента в аккумуляторах и суперконденсаторах активно используют технический углерод (ТУ). Однако он имеет низкую электропроводность. В качестве альтернативы рассматривают токопроводящие материалы с более высокой электропроводностью, такие как графен, восстановленный оксид графена и углеродные нанотрубки. Но из-за высокой стоимости и сложности производства этих материалов их массовый выпуск недоступен.
Казанские ученые предложили неожиданное и элегантное решение — разработали простой и экономичный способ синтеза пенографита без сложного оборудования и дорогостоящих технологических установок. Окисленный терморасширяющийся графит помещают в керамический стакан, обложенный минеральной ватой, и обрабатывают электромагнитным излучением мощностью 1000 Вт в течение одной минуты. В результате графит трансформируется в пенографит — материал со сложной трехмерной слоистой структурой.
Эксперименты показали, что уже при 3-процентной концентрации пенографита удельная электропроводность смеси активированного угля и пенографита превышает соответствующее значение традиционной смеси активированного угля и 10% ТУ. А при увеличении содержания пенографита до 7% удельная электропроводность в 3,5 раза больше по сравнению со смесью с 30% ТУ.
Это означает, что пенографит работает эффективнее технического углерода, который используется даже в коммерческих литий-ионных аккумуляторах. При этом пенографит, благодаря своей слоистой структуре, распределяется в активной массе равномерно, заполняя весь объем электрода и обеспечивая надежный электрический контакт.
По мнению исследователей, высокопроизводительные суперконденсаторы с пенографитовыми электродами смогут обеспечить более компактные и легкие источники питания для будущих технологий, а полученные результаты открывают новые возможности в транспортной отрасли, авиационной промышленности, системах рекуперации энергии, электромобилях и портативной электронике.
Напомним, что 2022–2031 годы в Российской Федерации объявлены Десятилетием науки и технологий. Это было установлено Указом Президента Российской Федерации от 25.04.2022 г. №231.
Основные задачи проведения Десятилетия науки и технологий - это привлечение талантливой молодёжи в сферу исследований и разработок, содействие вовлечению исследователей и разработчиков в решение важнейших задач развития общества и страны и повышение доступности информации о достижениях и перспективах российской науки для граждан Российской Федерации.