Дэвид Митлин, доктор философии, объясняет, что суперконденсаторы — это устройства хранения энергии, которые обладают огромным потенциалом изменить способ питания электроники будущего. В отличие от современных аккумуляторных батарей, которые потребляют энергию в течение нескольких часов, суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться за секунды. Но обычно они не могут хранить столько же энергии, сколько батареи — важное свойство, известное как плотность энергии.
Один из подходов, который используют исследователи для увеличения плотности энергии суперконденсаторов, — это разработка более совершенных электродов. Команда Митлина выяснила, как сделать их из определенных волокон конопли — и они могут удерживать столько же энергии, сколько и нынешний главный претендент: графен.«Электрохимические характеристики нашего устройства не хуже, чем у устройств на основе графена, — говорит Митлин. «Ключевым преимуществом является то, что наши электроды производятся из биоотходов с помощью простого процесса, и поэтому они намного дешевле графена».
Погоня за идеальным суперконденсатором в значительной степени сосредоточена на графене — прочном и легком материале, состоящем из слоев углерода толщиной в атом, которые, если их сложить, можно превратить в электроды. Ученые исследуют, как они могут использовать уникальные свойства графена для создания более совершенных солнечных элементов, систем фильтрации воды, сенсорных экранов, а также батарей и суперконденсаторов. Проблема в том, что это дорого.Группа Митлина решила посмотреть, смогут ли они сделать графеноподобный углерод из волокон конопляного луба.
Волокна поступают из внутренней коры растения и часто выбрасываются в быстрорастущих отраслях промышленности Канады, которые используют коноплю для производства одежды, строительных материалов и других продуктов. США вскоре могут стать еще одним поставщиком луба. Теперь он позволяет ограниченное выращивание конопли, которая, в отличие от своего близкого родственника, не вызывает кайф.
Ученые давно подозревали, что конопляный луб имеет большую ценность — это просто вопрос поиска правильного способа обработки материала.«Мы в значительной степени выяснили, в чем секрет, — говорит Митлин, который сейчас работает в Университете Кларксона в Нью-Йорке. «Уловка состоит в том, чтобы по-настоящему понять структуру исходного материала и настроить способ его обработки, чтобы получить то, что по праву можно было бы назвать потрясающими свойствами».
Его команда обнаружила, что если они нагреют волокна в течение 24 часов при температуре чуть более 350 градусов по Фаренгейту, а затем обработают полученный материал более интенсивным нагревом, он расслоится до углеродных нанолистов.Команда Митлина построила свои суперконденсаторы, используя угли из конопли в качестве электродов и ионную жидкость в качестве электролита. Полностью собранные устройства работали намного лучше коммерческих суперконденсаторов как по плотности энергии, так и по диапазону температур, в котором они могут работать.
Устройства на основе конопли обеспечивали плотность энергии до 12 Вт-часов на килограмм, что в два-три раза выше, чем у коммерческих аналогов. Они также работают во впечатляющем диапазоне температур, от нуля до более чем 200 градусов по Фаренгейту.«Мы прошли этап проверки принципа действия полностью функционального суперконденсатора», — говорит он. «Теперь мы готовимся к мелкосерийному производству».
Митлин, проводивший исследование в Университете Альберты, выражает признательность за финансирование со стороны Alberta Innovates Technology Futures, Национального института нанотехнологий (Канада) и Агентства по животноводству и мясу Альберты.