Команда ученых из Центра Нанотехнологий Университета Центральной Флориды (UCF) разработала новый метод создания гибких суперконденсаторов. Они накапливают больше энергии и без ущерба выдерживают более 30 тысячи циклов зарядки. Новый метод создания наноконденсаторов может стать революционной технологией в производстве и смартфонов, и электромобилей.Создатели уверены: если заменить привычные аккумуляторы новыми наноконденсаторами, то любой смартфон полностью зарядится за несколько секунд. Владелец может не думать каждые несколько часов о том, где бы ему зарядить смартфон: устройство не будет разряжаться в течение недели.
Каждый владелец смартфона сталкивается с пока неразрешимой проблемой: примерно через 18 месяцев после покупки среднестатистический аккумулятор держит заряд все меньше и меньше времени, а затем окончательно деградирует. Чтобы решить ее, ученые исследуют возможности наноматериалов для улучшения суперконденсаторов. В перспективе они могут поддержать или даже заменить батарейки в электронных устройствах. Добиться этого достаточно сложно: чтобы ионистор проводил столько же энергии, как литий-ионный аккумулятор, он должен значительно превосходить привычную батарейку в размерах.
Команда из UCF экспериментировала с использованием недавно обнаруженных двумерных материалов толщиной в несколько атомов – тонких пленок дихалькогенидов переходных металлов (TMDs). Другие ученые пытались работать с графеном и другими двумерными материалами, но нельзя сказать, что эти попытки оказались достаточно успешными.
Двумерные дихалькогениды переходных материалов – перспективный материал для емкостных суперконденсаторов, благодаря их слоистой структуре и большой площади поверхности. Предыдущие опыты интеграции TMDs с другими наноматериалами улучшили электрохимические характеристики первых. Однако такие гибриды не выдерживали достаточное количество циклов перезарядки. Это было связано с нарушением структурной целостности материалов в местах соединения друг с другом и хаотичной сборкой.
Все ученые, которые так или иначе пробовали усовершенствовать существующие технологии, задавались вопросом: «Как объединить двумерные материалы с существующими системами?». Тогда команда из UCF разработала простой подход химического синтеза, с помощью которого можно успешно интегрировать существующие материалы с двумерными дихалькогенидами металлов. Об этом заявил ведущий автор исследования Эрик Юнг.
Команда Юнга разработала суперконденсаторы, состоящие из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой дихалькогенидов переходных металлов. Ядро с высокой электропроводностью обеспечивает быстрый перенос электрона для быстрой зарядки и разрядки. Равномерная оболочка из двумерных материалов отличается высокой энергоемкостью и удельной мощностью.
Ученые уверены, что двумерные материалы открывают широкие перспективы для элементов аккумулирования энергии. Но до тех пор, пока исследователи из UCF не придумали способ объединить материалы, не было возможности реализовать этот потенциал. «Наши материалы, разработанные для небольших электронных устройств, превзошли привычные технологии во всем мире с точки зрения плотности энергии, удельной мощности и циклической стабильности» – отметил доктор наук Нитин Чудхари, проводивший ряд исследований.
Циклическая стабильность определяет, сколько раз аккумулятор можно зарядить, разрядить и перезарядить прежде, чем он начнет деградировать. Современные литий-ионные батареи можно заряжать около 1,5 тысяч раз без серьезных сбоев. Недавно разработанный прототип суперконденсатора выдерживает несколько тысяч таких циклов. Ионистор с двумерной оболочкой не деградировал даже после того, как его перезарядили 30 тысяч раз. Сейчас Юнг и его команда работает над тем, чтобы запатентовать новый метод.
Наноконденсаторы можно использовать в смартфонах, электромобилях, а по сути – в любых электронных устройствах. Они могли бы помочь производителям извлечь выгоду из резких перепадов мощности и скорости. Поскольку ионисторы достаточно гибкие, они подойдут и для носимой электроники и технологий.
Несмотря на все преимущества нового суперконденсатора, разработка еще не готова к коммерциализации. Тем не менее, это исследование может стать еще одним серьезным толчком для развития высоких технологий.
Научная работа опубликована в журнале ACS Nano 12 октября 2016 года
DOI: 10.1021 / acsnano.6b06111
Комментарии (69)
Mirrandin
22.11.2016 16:39+1Разве производителям электроники выгодно, чтобы аккумуляторы в их устройствах были вечными? Если брать в расчет, что на многих устройствах(тот же смартфон) аккумулятор несъемный, то выход из строя оного толкает на покупку нового смартфона.
Ravebinovich
22.11.2016 16:49+1С этой проблемой производители устройств могут бороться с помощью обновлений по, понемногу уменьшая производительность системы с выходом новой версии.
Sdvnkhp
22.11.2016 20:44Это возможно, больше интересует производителей автомобилей, роботов и прочих энергоемких устройств.
ClearAirTurbulence
23.11.2016 11:49Сейчас производители в значительно большей степени зарабатывают на постоянном обновлении модельного ряда. У которого экран больше на 100 точек, камера — на 5 мегапикселей, а процессор — на 500 Mhz быстрее и имеет на 5 ядер больше.
SlepoyMysh
23.11.2016 15:06а почему не выгодно? лично мне видится, что сейчас прогресс в развитии носимой электроники (да и не только) как раз уткнулся в наличие хороших, долговечных и миниатюрных источников питания.
вот представьте (полет чистой фантазии) — предположим, что носимое устройство не связано ограничениями по питанию (время жизни заряда, размеры и т.д) — да это просто праздник будет какой-то! миниатюрные наушники, гарнитуры и т.д. при использовании которых не нужно бегать через несколько часов к розетке.
да если взять тот же смартфон — не нужно заморачиваться насчет энергопотребления приложений или резать функционал в угоду автономности.
бурное развитие умных часов, расширение функционала фитнес-браслетов… да много что можно придумать.
ploop
22.11.2016 16:49+13то любой смартфон полностью зарядится за несколько секунд.
Клеммы для сварочного аппарата в комплекте будут?
А вообще, новости о прорыве в источниках накопления энергии чуть ли не каждый месяц выходят, последние лет 10 точно читаю. А воз и ныне там.
Благо за это время существенно «прокачали» литиевую технологию, но уже практически упёрлись в её потенциал.ifvrt12
22.11.2016 19:35+3Первая мысль при прочтении новости.
Когда я видел новости о новый видах элементов питания в 2008, я думал: Наконец-то, давно пора.
Когда я видел новости о новый видах элементов питания в 2010, я думал: Наконец-то, скорее бы уже.
Когда я видел новости о новый видах элементов питания в 2013, я думал: Ещё немного, и мой телефон можно будет не заряжать неделями.
В 2014 меня это задолбалоЧитаю новости об элементах питания с настроем, что учёные «Открыли, предложили, забыли». Для конечных пользователей прогресс очень незаметный. Я конечно не отрицаю того, что возможно над этой сферой работают втайне от прессы, но кроме «прокачки» литиевой технологии, я ничего нового не вижу.
Hellsy22
22.11.2016 17:36+1Каждый владелец смартфона сталкивается с пока неразрешимой проблемой
Ужасная проблема. Ведь заменить аккумулятор там, где он съемный — дело аж целой минуты. А для замены несъемных аккумуляторов есть сервисные центры.
устройство не будет разряжаться в течение недели
Если кто-то придумал, как примерно в сто раз поднять энергоплотность ионисторов по сравнению с существующей — это реальная новость, но я подозреваю, что это, что имелось в виду что-то типа «на 10% больше по сравнению с существующими ионисторами».
lizard_hermit
22.11.2016 20:19-5Представьте как удобно с современной схемой цикла жизни смартфона использовать суперконденсаторы, смартфон разряжается за день, а вместо 2-4 часов заряжается за секунды. Но теперь подумайте о том как он заряжается за эти секунды, в этот момент он будет сжирать огромный ток, так нагружать домашнюю сеть просто грешно, поэтому наверняка это будет происходить через зарядную станцию, и получается что она будет грубо говоря состоять из конденсатора с ограничителем тока который будет заряжаться с низкой мощностью что бы не просаживать значительно сеть. Пока всё отлично, но представьте что вы попали рукой на контакты такого устройства. Хоть там и 4В, но амперы это ожог, а столько ампер это уже разрыв тканей, единственный вариант безопасной реализации это докстанция которая будет забирать гаджет, проводить с ним манипуляцию по зарядке в безопасном от человека расстоянии и выдавать обратно. А сами гаджеты будут с двумя портами, за какой нибудь хитрой отстёгивающейся крышечкой, с огромным сечением контактов, а ведь весьма интересно, надеюсь доживу что бы самому поглядеть (наверное просто ограничат ток заряда ионистора, но все равно круто же)
MTyrz
22.11.2016 20:48+2представьте что вы попали рукой на контакты такого устройства. Хоть там и 4В, но амперы это ожог, а столько ампер это уже разрыв тканей
Закон Ома для участка цепи. Ток равен напряжению, поделенному на сопротивление. Напряжение известно. Среднее сопротивление человеческой кожи примерно 12 кОм (хотя может меняться в значительных пределах). Ток посчитайте сами.
UPD. А то у вас получается, что попадание рукой на клеммы автомобильного аккумулятора разорвет на куски, как хомячка.
Bluewolf
22.11.2016 20:56+1Сопротивление сухой кожи — да, а влажной — 1 кОм, а чуть внутри кожи — уже около 100 Ом (можно проверить тонкими иголками). Впрочем, это не отменяет практически полной безопасности условных 4-12-20 Вольт, никакого опасного тока при попадании на кожу такого напряжения не будет.
Andy_Big
22.11.2016 20:53Хоть там и 4В, но амперы это ожог, а столько ампер это уже разрыв тканей
Контакты с напряжением 4 вольта не выдадут никакого заметного тока на тело человека. Погуглите закон Ома и электрическое сопротивление кожи человека :)
Paskin
22.11.2016 22:22+1Большинство фирменных зарядок сначала проверяют что к ним подключено, и только потом разрешают максимальный ток. То же самое с беспроводными — у них ток не подается в обмотку пока телефон не ответит по NFC.
kAIST
22.11.2016 20:21+3Всегда вижу в подобных обсуждениях комментарии типа «провода с толщиной в палец» и пр. Это справедливо для зарядки за 10 секунд, а вот если зарядка будет в пару минут, уже не так страшно. Да и собственно увеличение емкости при тех же размерах и весе, тоже нехило так продвинет технику вперед.
LadyN
22.11.2016 21:36"… суперконденсаторы, состоящие из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой дихалькогенидов переходных металлов". Интересно, как такие материалы будут производить в промышленных масштабах и какова будет их стоимость…
thatsme
23.11.2016 00:30+2>> устройство не будет разряжаться в течение недели.
Ну конечно! Только вот забыли, что мы туда софта наделаем/накидаем и мощность ЦПУ/ГПУ повысим, и плевать, что там за суперконденсаторы…
prostosergik
23.11.2016 14:58+1Жду, когда подобные ребята перейдут границы разумного маркетинга:
«Наш меганано суперконденсатор способен зарядиться за 0.7 микросекунды и обеспечит работу современного смартфона в течении 4.5 миллиарда лет, а пробег электромобиля типа Теслы вплотную приблизится к 17 световым годам!»
Mrgnstrn
23.11.2016 15:07Интересно, есть ли какая то методика расчета максимальной теоретической плотности заряда для суперконденсаторов на единицу объема или массы?
SvSh123
23.11.2016 17:00Добавить еще 3 слоя, и получится солнечная батарея, совмещенная с накопителем.
Mad__Max
29.11.2016 20:14+3Написал статью с дополнительными подробностями, что же именно ученые изобрели в этот раз:
Прорыв в накопителях энергии или очередной случай, когда ученый «надругался» над журналистом?
LadyN — ответ на ваш вопрос там тоже частично есть (последняя часть)
prostosergik — в данном случае «эти ребята» это журналисты. Предположительно даже не наши местные, а зарубежные, откуда уже потом перевели на русский.
kAIST — к сожалению изначальное увеличение емкости только относительно других ионисторов, по сравнению с аккумуляторами она по прежнему низкая
dan939
29.11.2016 21:37почему никто не упомянул разрядную характеристику этого «суперконденсатора»? он годится для питания ПП устройств? или нужен какойнибудь стабилизатор? ионистор например впрямую для питания телефона использовать не получится.
Mad__Max
29.11.2016 22:43+1Все как у любых других конденсаторов (независимо от наличия приставки «супер») — крайний левый график:
Т.е. напряжение почти линейно меняется от 0 до максимума. Единственное отличие от обычных ионисторов только большая емкость и мощность.ploop
02.12.2016 12:35Ну, не «почти линейно», а точно по экспоненте у реального конденсатора.
Mad__Max
03.12.2016 22:45Это какой-то странный график. Видимо при зарядке постоянным напряжением от сферического в вакууме источника (способного выдавать любой ток и имеющего бесконечную мощность и поэтому не существующего на практике, а только в мат моделях).
При зарядке постоянным током с отсечкой по напряжению (CCCV) как работает большинство реальных зарядных устройств — напряжение на заряжаемом конденсаторе большой емкости меняется почти линейно.ploop
04.12.2016 12:20Это график стандартной RC-цепочки, которой по сути будет заряд реального конденсатора от источника напряжения.
При зарядке постоянным током
Это совсем меняет дело, от источника тока график будет линейным («почти» линейным в реальности, как вы и сказали).
Таким образом работают измерители ёмкости, т.е. заряжают конденсатор стабильным током до определённого напряжения, время будет пропорционально ёмкости.
Bluewolf
Емкость батареи смартфона примерно 10 Втч (3000 мАч * 3.7 В). При КПД заряда 80% и времени заряда 10 секунд потребуется мощность 4,5 кВт, при этом нагреваясь в течении этих десяти секунд с мощностью 900 Вт.
igruh
Добавьте ещё ток в 1 кА за это время.
vladimir_open-dev
Все зависит от напряжения ионистора и оно не обязано быть как у Li-ion. Но в целом идея ясна. Мы в BatOn 10А то кое-как протащили до банки, а дальше там экспоненциально сложность растет.
amarao
Вполне в реалиях современного мира. Жрёт как 4 чайника, делов-то.
Алсо, при 10Вт*ч и КПД 80% мы имеем теплорассеивание 2Вт*ч, это всего-то 7200 Дж энергии. При теплоёмкости в 1 кДж/(кг*К) (примерно как у аллюминия) и весе устройства в 300г (0.3кг), имеем, что устройство нагреется на 24 градуса. С условных 25 до 50. При условии, что целиком. Если нагреется часть устройства (100г), то это будет +72 градуса, т.е. с условных 25 до 97.
Воткнул телефон в розетку, подождал, пока мокрый палец зашипит, значит, зарядился.
c_kotik
Всё имеет свою цену, в том числе и сверхбыстрая зарядка. Если её и делать с такими параметрами, то уж в отдельной док-станции с радиатором.
Garbus
А если представить КЗ подобного источника энергии в кармане? Если там как обещают и емкость раз в 5-7 больше, и отдаст он накопленную энергию так же быстро как и заряжается, то есть за несколько секунд?
Слабо верится конечно, но фантазия на тему подобного «фейерверка в кармане» срабатывает хорошо.
hdfan2
Самсунг завистливо вздыхает.
amarao
В научной фантастике давно описывалось аварийное использование батарейки как гранаты. Выдернуть failsafe, закоротить, бросить.
Даже вспомнил где. Гуляковский, «Долгий восход на Энне» (1984).
a5b
В батарее ноутбука энергии на порядок меньше, и выделяется она дольше: http://mathnovel.com/exploding-laptop-batteries/
c_kotik
А вы обладаете фактами, что эти конденсанторы образуют фейерверк? В литиевых представление из-за активности лития. Нагреются, расплавятся — возможно. Но всё остальное — от применяемых материалов и их поведения в таких условиях. Так что давайте не будем мысленно прикручивать чеку к ещё до конеца не испытанным и даже не выпущенным источникам питания.
Bluewolf
Ну в любом случае надо понимать, что если запасенная энергия (а в батарее ноутбука она уже довольно большая) при мгновенном разряде (если он возможен) сама по себе не исчезнет, а в любом случае перейдет в тепло :)
c_kotik
Этого я не отрицаю. Как бы не так и часто они коротят, так что вопрос с защитой вполне решаемый. Да и фантазировать про медные шины, будто бы в действительности будут выпускать зарядку под 1кА — абсурдное занятие.
Garbus
Тут вопрос исключительно в возможности создания «цепной реакции», когда небольшое нарушение целостности изолятора вызывает стремительный нагрев и все большее разрастание зоны повреждений, с последующим выделением запасенной энергии. А килоампер на несколько квадратных метров обкладок уже не поражает плотностью, ведь ток идет не по некоей шине, а всей возможной площади.
Кстати, любой сбособ хранения энергии запросто станет потенциальной бомбой, как только достигнута достаточная плотность хранения, и есть возможность её быстрого высвобождения (не тратя при этом большее количество из внешнего источника).
Mad__Max
Не образуют, т.к. в реальности их таких нет. Но если бы были с заявленными журналистами(не учеными) параметрами — то при КЗ обязательно устраивали бы хороший фейерверк и бабах. Как минимум ударным мгновенным испарением проводника вызвавшего КЗ.
Если это внутреннее КЗ, то с учетом кол-ва накопленной энергии и скорости ее освобождения никакого лития и других активным материалов не нужно: во всех ионистарах включая этот есть жидкий электролит на водной основе, при таком быстром высвобождении энергии он практически мгновенно испаряется от нагрева --> очень быстро расширяется в несколько тысяч раз в объеме = взрыв.
Правда на практике этого не будет, т.к. удельная мощность у них действительно огромная, а вот огромную удельную емкость придумали журналисты (см. пост ниже). В реальности она на порядок ниже обычных аккумуляторов на литии. И даже если эта энергия высвободится очень быстро, ее просто слишком мало чтобы испарить электролит или расплавить металлический корпус и в результате никаких «спецэффектов» при выходе из строя не будет.
Mad__Max
5-7 раз больше емкости это очередные «ученые изнасиловали журналиста». Не было таких заявлений у ученых — да удельная мощность в разы выше чем у обычных суперконденсаторов, живучесть (количество циклов без существенной деградации) тоже лучше имеющихся образцов: после 30 000 циклов она даже выше изначальной номинальной емкости! — первые пару тысяч циклов она вообще растет и только потом очень медленно начинает снижаться и после 30 тыс. циклов заряд/разряд все еще выше начального уровня. По стандартной методике (снижение емкости ниже 80% от номинала) они минимум по 100 тыс. циклов должны выдерживать.
Но вот емкость осталась на вполне обычных уровнях типичных для ионисторов, т.е. в десяток-другой раз хуже чем у литиевых аккумуляторов и никаких батарей для смартфонов из них никто и никогда делать не будет по этой причине: какой смысл в зарядке за секунды, если этого заряда хватит максимум на несколько часов работы(или десятки минут с большой нагрузкой) — постоянно к розетке бегать по расписанию?.. А вот как буфер для рекуперации энергии на электротранспорте или как компенсатор скачков напряжения и частоты в сети может быть отличным вариантом.
wartex
Вы шутите? Несколько часов за секунды! Никогда не выходили из дому с разряженным телефоном? А, бегая по городу, иметь возможность зарядить телефон в любой кафешке — тоже не нужна?
jar_ohty
Хороший смартфон весом в 300 г, не находите ли?
И кроме того, комментатор выше не зря сказал про килоампер. А килоампер пропустить — в мобильник такие шины не влезут, которые пропустят такой ток, не раскалившись докрасна.
amarao
А зачем нам в телефон гнать килоампер? Надо всего-то 4кВт вогнать. Поднимаем напряжение до 60 вольт — всего 66 ампер. Если верить вот этому: http://ydoma.info/electricity-vybor-secheniya-provoda.html — всего-то диаметр 3.5 мм.
Плюс ток нужен не на постоянку, а импульс в 10с. За это время и милиметровый провод не успеет разогреться.
jar_ohty
Затем, что одна ячейка суперконденсатора — на 0,5-2 В. Высоковольтная батарея — куча элементов с изоляцией, с балансировкой по напряжению и связанными с этим потерями энергии и объема.
Alkul
66 ампер? Sehr gut, как говорят немцы. А теперь представьте себе, контакты каких из существующих разъемов способны выдержать такой ток в частности и такую мощность в целом?
Я подключал проточный водонагреватель мощностью 3,5кВт, у него штатно обычная «евровилка». Так розетка (которая, якобы, 16А должна «держать») за 3 недели эксплуатации оплавилась, после чего я плюнул, купил розетку и вилку, предназначенные для подключения электроплит и перегрев исчез.
Но это водонагреватель. Телефон как подключать будем? Сейчас же тенденция на уменьшение толщины и массы телефонов. Из-за чего на микроюсб перешли? Именно из-за этого. А для передачи такой мощности потребуется на задней крышке телефона делать пару контактов в виде широких (по-видимому, серебряных или посеребреных) шин, которые должны прижиматься в контактам на док-станции зарядки.
amarao
не забываем, что тут зарядка «за 10 секунд». За это время даже провод в 1мм в диаметре не успеет нагреться. Искрение можно преодолеть с помощью slow start, плюс предполагаем, что 10с достаточно быстро, чтобы не было внезапного размыкания в процессе зарядки.
Alkul
И много Вы видели в современных миниатюрных разъемах контактов диаметром 1 мм?
Вот у этого разъема контакты 1,5 мм диаметром. Такой и поставим?
При токе 66А даже провод диаметром 1 мм сгорит возможно, что и за 10с. А уж контакт USB-разъема и подавно. Возьмите школьную формулу I^2*R*t=c*m[t2-t1] и посчитайте величину перегрева.
amarao
Считать лениво. Опираюсь на жизненный опыт — милиметрового провода на 66А кратковременного всплеска хватит с запасом, особенно с учётом теплоёмкости. Сопротивление провода при разумной длине будет порядка милиома или меньше, что даст рассеяние 66мВт, или меньше джоуля за 10с. Джоуль — это даже тепла не почувствуем.
equand
Господа, вроде бы программеры и сисадмины, а уткнулись в прямую передачу тока.
Можно поставить конденсаторы в док, заряжать их простым 220в@16A и потом уже выдавать их в вставленный смартфон за 10 секунд.
ploop
Проблема не в источнике, а в приёмнике, т.е. в телефоне.
sswa
Да, только тот же аккумулятор 18650 весит в районе 50г. Итого: перегрев получаем 144 градуса.
amarao
Ну да. Как зашипел — значит, зарядился.
c_kotik
Скорей всего речь идёт о гипотетической скорости зарядки ионистора на этой технологии энергией, сопоставимой с аккумулятором мобильного + приправлено журналистикой. Но, насколько я понимаю в процессах — ионистор то на полную зарядится, а аккумуляторы быстро могут получить заряд до 70-80% (примерно), а потом более долгий заряд до 100%.
potan
КПД на зарядке/разрядке у конденсаторов очень хороший.