Пристрої зберігання енергії під назвою “суперконденсатори” стали гарячою областю досліджень почасти тому, що вони можуть швидко заряджатися і доставляти інтенсивні сплески потужності. Проте, усі суперконденсатори в даний час використовують компоненти, виготовлені з вуглецю, у виробництві яких застосовуються високі температури й агресивні хімічні речовини.

Тепер дослідники з Массачусетського технологічного інституту й інших місць уперше розробили суперконденсатор, що не використовує проводить вуглецю на всіх, і які потенційно могли б виробляти більше енергії, ніж існуючі версії цієї технології.
Про відкриття команди повідомлялося в журналі Nature Materials (природні матеріали) у статті Мірсі Дінка, доцента кафедри хімії Массачусетського технологічного інституту; Янг Шао-Хорн, професора енергетики В.М. Кіка та чотирьох інших авторів.

“Ми виявили абсолютно новий клас матеріалів для суперконденсаторів”, – говорить Дінка.

Дінка і його команда досліджували протягом багатьох років клас матеріалів, званих металорганічними каркасами або MOF, які мають надзвичайно пористу губчасту структуру. Ці матеріали мають надзвичайно велику площу поверхні для їх розміру, набагато більше, ніж вуглецеві матеріали роблять. Це є важливою характеристикою для суперконденсаторів, продуктивність яких залежить від їх площі поверхні. Але MOF мають істотний недолік для таких застосувань: вони не дуже електропровідні, що також є істотною властивістю для матеріалу, що використовується в конденсаторі.

“Один з наших довгострокових цілей було зробити ці матеріали електропровідний”, – говорить Дінка, “хоча робити це, як думали, надзвичайно важко, якщо не неможливо”. Але матеріал зробив демонструють ще одну необхідну характеристику для таких електродів, є те, що вона проводить іони (атоми або молекули, які несуть чистий електричний заряд) дуже добре.

“Усі двошарові суперконденсатори сьогодні зроблені з вуглецю”, – говорить Дінка. “Вони використовують вуглецеві нанотрубки, графен, активоване вугілля, всі форми і форми, але більше нічого, крім вуглецю. Так що це перший невуглецевий, подвійний електричний шар суперконденсатор”.
Одна з переваг матеріалу, використовуваного в цих експериментах, технічно відомий як Ni₃(гексаімінотріфенілен)₂, є те, що це може бути зроблено при набагато менш жорстких умовах, ніж ті, які необхідні для матеріалів на основі вуглецю, які вимагають дуже високих температур вище 800 градусів за Цельсієм і сильних хімічних речовин, реагентів для попередньої обробки.

Команда каже, що суперконденсатори, з їх здатністю зберігати відносно велику кількість енергії, могли б грати важливу роль в забезпеченні використання поновлюваних джерел енергії для практичних широкомасштабного розгортання. Вони могли б забезпечити сітки і масштабу зберігання, які могли б допомогти раз використання збіг з періодом генерації, наприклад, або використовуватися в електричних транспортних засобів та інших застосувань.

Нові пристрої, вироблені командою, навіть без будь-якої оптимізації їх характеристик, вже або перевершувати продуктивність існуючих на основі вуглецю версій ключових параметрів, таких як їх здатність витримувати велику кількість циклів зарядки/розрядки. Тести показали, що вони втратили менше 10 відсотків від їх продуктивності після 10000 циклів, що можна порівняти з існуючими комерційними суперконденсаторів.
Але це, швидше за все, тільки початок, каже Дінка. MOF – великий клас матеріалів, характеристики яких можуть бути налаштовані в значній мірі за рахунок зміни їх хімічної структури. Роботи по оптимізації їх молекулярних конфігурацій для забезпечення найбільш бажаних атрибутів для цього конкретного додатка, ймовірно, призведе до змін, які можуть перевершити будь-які існуючі матеріали. “У нас є новий матеріал для роботи, і ми не оптимізували його взагалі”, – говорить він. “Це повністю настроюється, і ось що цікаво”.

У той час було багато досліджень MOF, більшість із них було направлено на використання, які використовують переваги рекордно пористості матеріалів, наприклад, для зберігання газів. “Відкриття нашої лабораторії по високоюелектропровідність MOF відкриває цілу нову категорію додатків”, – говорить Дінка. Крім нових суперконденсаторів використання, які проводять, MOF можуть бути корисні для створення електрохромних вікон, які можуть бути затемнені з перемикачем і хеморезістівних датчиків, які можуть бути корисні для виявлення слідів хімічних речовин для медичних або безпеки додатків.

У той час як MOF матеріал має переваги в простоті і потенційно низької вартості виробництва, матеріали, що використовуються, щоб зробити його більш дорогими, ніж звичайні матеріалів на основі вуглецю, говорить Дінка. “Вуглець дешевий. Важко знайти що-небудь дешевше”. Але навіть якщо матеріал закінчує тим дорожчим, якщо його продуктивність значно краще, ніж у матеріалів на основі вуглецю, він може знайти корисні додатки, говорить він.

Це відкриття є “дуже важливим, як з наукової та додатків точки зору,” говорить Олександру Влад, професор хімії в Католицькому університеті Левена в Бельгії, який не брав участі в цьому дослідженні. Він додає, що “поле суперконденсатор переважало (але не буде більше) активоване вугілля” через їх дуже високою питомою поверхнею і провідності. Але тепер “тут прорив забезпечується Дінка й ін.: вони могли б розробити MOF з високою площею поверхні і високою електричну провідність, і, таким чином, повністю кинути виклик ланцюжка створення вартості суперконденсаторів! Там, по суті, не більше потреби атомів вуглецю для цієї вельми актуальної технології”.

І головна перевага, що він пояснює, що “ця робота показує тільки верхівка айсберга. З атомами вуглецю ми знаємо досить багато всього, і розвиток подій протягом останніх років були скромними і повільно. Але MOF використовується Дінка є одним з найнижчих поверхневої області MOF відомими, і деякі з цих матеріалів може досягати до трьох разів більше [площа поверхні], ніж атомів вуглецю. Пропускна здатність потім буде дивно високим, ймовірно, близька до того, що батареї, але з продуктивністю потужності [здатність поставити високу вихідну потужність] суперконденсаторів”.

До дослідницької групи ввійшли: колишній постдокторант МТІ Денніс Шеберла (нині постдокторант у Гарвардському університеті), аспірант МТІ Джон Бахман, Джозеф Еліас, доктор філософії ’16 і Ченг-Юн Сун з Національної лабораторії Аргонн. Робота виконана за підтримки Департаменту енергетики США через Центр ексітоніки, Фонд Слоана, Дослідницьку корпорацію покращення науки, 3M і Національний науковий фонд.