Емкость для накопителей энергии увеличили втрое с помощью композитов

1468
22.05.2023, 18:15

Ученые смогли втрое улучшить характеристики материалов для энергонакопителей. Они «растянули» гармошкообразные проводящие наночастицы в их составе, что помогло обеспечить более равномерное распределение наполнителя в объеме полимерной матрицы и повысить способность композита реагировать на внешнее электрическое поле. Предложенный подход позволит создать отечественные энергонакопительные системы, не уступающие по эффективности ушедшим с рынка зарубежным аналогам. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в журнале Nanomaterials.

Системы хранения энергии используются повсеместно: от крупных электростанций и солнечных панелей до устройств новейшей гибкой электроники. Уход с рынка импортных аналогов таких систем серьезно тормозит развитие отечественных технологий. Так, прежде всего нужны композитные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, способные накапливать большие количества энергии. Они представляют собой полимерную матрицу, в которую внедрены проводящие ток частицы — наполнитель. Чем больше будет таких частиц, тем будет выше и диэлектрическая проницаемость, однако при этом теряется гибкость и эластичность композита. Ученые Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А (СГТУ) предложили композит, который потенциально может решить эту проблему.

Авторы взяли за основу материал, в котором роль матрицы выполняют поливинилиденфториды — полимеры с изначально достаточно высокой способностью запасать энергию. В них внедрили наночастицы MXene с высокой проводимостью. Под этими веществами понимают целую группу слоистых карбидов, карбонитридов и нитридов переходных металлов (то есть способных образовывать разное количество связей с другими атомами). Такая система сама по себе довольно эффективна, но авторы улучшили ее: MXene имеют гармошкообразную структуру, которую можно «растянуть», внедрив между слоями молекулы диметилсульфоксида — доступного растворителя. Так наполнитель будет равномернее распределен в полимерной матрице, а потому и способность сохранять энергию будет во всех частях одинаково высокой.

«Увеличение диэлектрической проницаемости позволяет не только накапливать больше энергии, но и повысить отклик материала на воздействие внешнего электрического поля. Это важно для устройств в здравоохранении, аэрокосмической промышленности и бытовой электронике. Потенциал улучшенных устройств хранения энергии и датчиков огромен», — поделился руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Горшков, старший научный сотрудник лаборатории «Ионика твердого тела» СГТУ имени Гагарина Ю.А.

По прогнозам ученых, подобные композиты войдут в состав устройств накопления и преобразования энергии в ближайшие пять лет. Далее коллектив планирует исследовать трехфазные композиты, в которые будут добавлены еще и порошки диэлектриков. Предполагается, что это будут сложные оксиды с туннельной структурой: манганаты и титанаты калия с добавками элементов из переходной группы. Это позволит достичь улучшенного баланса между диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями — за счет стабилизации поляризационных процессов на границах частиц разной природы.

Рисунок 1. Фотографии наночастиц MXene, полученные методом сканирующей электронной микроскопии: вверху — исходные, внизу — «растянутые» за счет интеркалирующих добавок. Источник: Tsyganov et al. / Nanomaterials, 2023