Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла Ученые нашли способ получать высокое напряжение из тонкого листа пластика, используя лишь луч лазера. Создан компактный суперконденсатор на 200 В без металла Исследователи из Гуандунского технологического университета придумали новый способ создавать мощные и компактные устройства для хранения энергии — тонкопленочные суперконденсаторы (ТПС). В их основе — простая, но эффективная лазерная технология. Ученые с помощью лазера превращают листы коммерческой полиимидной бумаги в трехмерный графен — материал, который отлично накапливает и проводит электрический ток. Этот графеновый лист выполняет сразу несколько ролей: он служит электродом, накапливающим энергию, проводником тока и механической основой всего устройства. “ Обычные суперконденсаторы требуют громоздких металлических деталей и сложной проводки, чтобы соединить множество ячеек, — объясняет профессор Хуилонг Лю, ведущий автор статьи. — Наш метод упрощает и материалы, и конструкцию, при этом мы добиваемся высокого напряжения и стабильной работы. Ученые тщательно изучили, как настройки лазера — плотность сканирования, мощность и скорость — влияют на структуру и электропроводность графена. Благодаря этой оптимизации им удалось наладить производство графеновых листов с низким электрическим сопротивлением и высокими электрохимическими свойствами. В новой конструкции гелевый электролит также работает как разделитель, а форма каждой ячейки задается самой полиимидной пленкой. Самонесущие графеновые слои позволяют плотно складывать все компоненты, делая устройство компактным без ущерба для производительности. Важно, что все ячейки — от одиночной до полной стопки из 160 штук — показали стабильные и одинаковые результаты. “ Главное преимущество в том, что нам не нужны металлические токосъемники и внешние соединители, — говорит соавтор работы професср Юн Чен. — Убрав лишние материалы и упростив сборку, мы можем увеличивать выходное напряжение, сохраняя устройство ультракомпактным. Крошечное устройство объемом всего 3.8 см³ способно выдавать напряжение в 200 вольт. Этой мощности хватает, чтобы зажечь 100 светодиодов на 30 секунд или лампочку мощностью 3 ватта на 7 секунд. Метод, описанный в издании International Journal of Extreme Manufacturing, может помочь в создании источников питания для микроэлектроники нового поколения, особенно для устройств, работающих в суровых условиях или с жесткими ограничениями по пространству. Команда планирует и дальше улучшать плотность энергии и рабочие напряжения этих устройств. Исследователи надеются, что их технология сможет питать носимые датчики, гибкую электронику и другие малогабаритные системы, которым нужен надежный источник энергии в сложных условиях. Реальная польза этой работы выходит за рамки простого создания «маленькой батарейки». Ее потенциал заключается в упрощении и миниатюризации источников питания для стремительно развивающейся микро- и носимой электроники. •Автономные сенсоры. Такие компактные и не требующие сложной сборки конденсаторы идеальны для распределенных сетей датчиков (например, для мониторинга состояния окружающей среды, структур зданий или в «умном» сельском хозяйстве). Их можно легко интегрировать в гибкие подложки. •Электроника для экстремальных условий. Поскольку устройство не имеет металлических частей, которые подвержены коррозии, и использует стабильные материалы, такие как графен и полиимид, оно потенциально более устойчиво к воздействию агрессивных сред, высоких температур или влажности. Это открывает путь к применению в геологоразведке, оборонной технике или даже в космических аппаратах для питания микродронов и диагностических зондов. •Имплантируемая медицинская электроника. Биосовместимость материалов (полиимид широко используется в медицине) и отсутствие токсичных металлов позволяют рассматривать эту технологию для создания источников питания для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и диагностических капсул, где надежность и компактность критически важны. Основной вопрос, который остается открытым, касается масштабируемости технологии для коммерческого использования. В исследовании подробно описан лабораторный процесс с тщательным подбором параметров лазера. Однако перенос этой технологии на промышленное производство может столкнуться с трудностями: 1.Скорость и стоимость. Лазерное преобразование полиимида в графен — последовательный процесс. Насколько быстро и дешево можно будет производить тысячи таких устройств по сравнению с существующими методами? Требуются расчеты экономической эффективности. 2.Воспроизводимость. Обеспечение стабильного качества и идентичных характеристик каждой ячейки в больших производственных партиях — всегда сложная задача для таких высокоточных методов. Необходимо разработать надежные системы контроля качества. Таким образом, работа является блестящим научным доказательством концепции, но между лабораторным образцом и серийным продуктом лежит путь инженерной оптимизации.
