Новый электролит для суперконденсаторов работает при -20 °C, выдерживает удары молотком и обеспечивает 5000 циклов работы 1
Учёные из южнокорейского университета POSTECH разработали электролит на основе гидрогеля для гибких суперконденсаторов. Материал сохраняет мягкость и способность проводить ионы при температуре до -20 °C, а также поглощает механические удары. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Суперконденсаторы способны быстро накапливать и отдавать электрическую энергию. Они перспективны для носимых медицинских устройств, гибких датчиков и мягких роботов, которым необходимы компактные источники питания, способные работать при изгибах и механических нагрузках.
Для таких устройств учёные рассматривают гидрогели — мягкие материалы из полимерной сетки, удерживающей воду. Однако при низких температурах вода внутри них замерзает, из-за чего материал становится твёрдым и хрупким, а движение ионов прекращается. Уплотнение полимерной структуры повышает прочность, но одновременно мешает переносу ионов.
Исследователи под руководством профессора Ким Ён Су решили эту проблему, создав внутри одного гидрогеля две функциональные области. Они смешали гидрофильный и гидрофобный мономеры в воде с наночастицами глины. В результате сформировался прочный полимерно-глиняный каркас, который поглощает механические нагрузки, и окружающие его водонасыщенные каналы, по которым свободно перемещаются ионы. Затем материал пропитали концентрированным раствором хлорида лития, чтобы предотвратить замерзание воды.
По результатам испытаний новый гидрогель оказался примерно в 21 раз устойчивее к разрывам, чем контрольный образец, а его ионная проводимость выросла в 2,4 раза. При температуре -20 °C материал сохранил гибкость и способность проводить ионы.
Ударопрочность проверили с помощью стального молотка, который сбрасывали с высоты 15 см. При температуре -20 °C обычное стекло и стекло с покрытием из традиционного замёрзшего гидрогеля разбились. Образец с новым материалом выдержал даже повторные удары.
Суперконденсатор с таким электролитом продолжал работать при изгибе на 180 градусов и температуре -20 °C. После 5000 циклов зарядки и разрядки он сохранил более 91,6% первоначальных характеристик. Кроме того, пять соединённых суперконденсаторов смогли зажечь светодиод сразу после удара молотком.
Разработка может найти применение в гибкой электронике, носимых медицинских устройствах и мягкой робототехнике, которым требуется надёжное питание даже при низких температурах и механических воздействиях.
