Огромный массив наноразмерных конденсаторов способен хранить достаточно энергии и отдавать ее достаточно быстро, чтобы использоваться в мощных электромобилях вместо батарей — или вместе с ними.
Конденсатор для электромобиля: На нанопорах
(а) подложка из стекла и алюминия; (b) в ней формируется упорядоченный массив миниатюрных углублений; (с) слой за слоем поры заполняются проводником (нитрид титана), изолятором (оксид алюминия) и снова проводником; (d) сверху все накрывается еще одним слоем алюминия; (е) лишнее срезается; (f) массив вертикально расположенных конденсаторов готов к действию

Прежде чем описать суть новой разработки, напомним, что обычный конденсатор сохраняет электрический заряд на паре параллельных проводящих пластин, разделенных непроводящим изолятором. В сравнении с обычными батареями, работающими на основе электрохимических реакций, они способны отдавать заряд намного быстрее — а значит, могут обеспечить высокую мощность электрическим устройствам, которым это необходимо. Прежде всего, это касается, конечно, электромобилей.

С другой стороны, сделать конденсатор подходящей емкости — проблема не такая уж и простая: при превышении зарядом определенной максимальной величины, он «пробивает» слой изоляции и моментально разряжается. Максимальный заряд определяется, в частности, площадью поверхности проводящих пластин конденсатора.

Так что современные конденсаторы нередко устроены хитрее: вдоль каждой пластины размещается слой пористого, проводящего ток вещества, и уже между этими слоями располагается изолятор. Совокупная площадь поверхности пористого проводника достигает огромных величин, что позволяет добиться емкости, в сотни раз большей, чем у традиционных конденсаторов. С другой стороны, такие конденсаторы отдают энергию далеко не так быстро, как обычные, и по этим характеристикам сравнимы с самыми современными батареями.

Исключая прототип нового конденсатора, предложенный американским химиком Гэри Раблоффом (Gary Rubloff) и его южнокорейскими коллегами, способный хранить достаточное количество заряда и отдавать его со скоростью, сравнимой с традиционными электростатическими конденсаторами.

Главный «секрет» нового устройства — в том, что на деле это не единый конденсатор, а массив из примерно 10 млрд крохотных конденсаторов, каждый размерами около 50 нм. Соединенные проводниками, они функционируют, как единое устройство сохранения энергии.

Для этого ученым пришлось начать с подбора методов создания такого массива миниатюрных конденсаторов. Они использовали технику анодирования, добавляя поверх стеклянной подложки тонкий слой алюминия, содержащий упорядоченный массив «нанопор». Каждая из этих пор затем заполняется тремя вложенными друг в друга слоями дополнительных материалов (проводящий нитрид титана и непроводящий оксид алюминия), которые и создают в них классический «бутерброд» конденсатора: проводник-изолятор-проводник.

Полученный в результате «сверхконденсатор» способен отдавать накопленный заряд на скорости, обычной для классических конденсаторов, так что каждый килограмм нового конденсатора может выдать до 1 МВт энергии, то есть, достаточно для питания 10 тыс. 100-ваттных лампочек. При этом он способен накапливать и довольно значительный заряд: в 1 кг такого конденсатора сохраняется до 2,5 КДж.

«Конечно, — говорит Раблофф, — наша основная задача — предложить вариант гибридной системы питания электромобиля, от батарей и конденсаторов. Но есть у технологии и другие, не столь масштабные потенциальные приложения — включая более мощные системы питания мобильных телефонов или ноутбуков». По его словам, ученые намерены усовершенствовать свой конденсатор — в частности, сделать поры в материале глубже, увеличив вместимость микро-конденсаторов, входящих в его состав.

Читайте также: «Совершенно секретный конденсатор».

По публикации New Scientist Tech