Фотографии наночастиц MXene, полученные методом сканирующей электронной микроскопии: вверху — исходные, внизу — «растянутые» за счёт интеркалирующих добавок. Источник: Tsyganov et al. / Nanomaterials, 2023
Исследователи из России разработали новый композитный материал, позволяющий утроить количество электричества, запасаемого внутри полимерных концентраторов энергии. Это открытие позволит создать энергонакопительные системы, не уступающие по эффективности ушедшим с рынка зарубежным аналогам, сообщила пресс-служба Российского научного фонда. Исследования поддержаны грантом РНФ. Результаты опубликованы в журнале Nanomaterials.
«Увеличение диэлектрической проницаемости при помощи нашего материала позволяет не только накапливать больше энергии, но и повысить отклик материала на воздействие внешнего электрического поля. Это важно для устройств, применяемых в космической и авиационной промышленности, в здравоохранении и бытовой электронике. Потенциал улучшенных устройств хранения энергии и датчиков огромен», — заявил старший научный сотрудник Саратовского государственного технического университета (СГТУ) Николай Горшков.
Конденсаторы и другие системы накопления электрической энергии используют в своей работе материалы с высоким уровнем диэлектрической проницаемости, способные запасать в себе большие количества энергии. Как правило, они представляют собой полимерные вещества, в пустоты между нитями которых внедрены наполнители, способные проводить ток.
Горшков и его коллеги выяснили, что способность подобных полимерных материалов запасать энергию можно в несколько раз увеличить, если внедрить в их толщу частицы, состоящие из так называемых максенов. Так учёные называют особый тип двумерных или многослойных наноматериалов, чьи плоские слои состоят из множества соединённых друг с другом атомов металлов, углерода и одного из элементов с сильными окисляющими свойствами.
Учёные встроили частицы из максенов в полимер PVDF, который сейчас широко применяется при производстве литий-ионных батарей, суперконденсаторов и прочих систем запасания энергии. В ходе этих опытов исследователи встраивали как чистые частицы максенов в полимерный наполнитель, так и их «растянутые» версии, между слоями которых были встроены молекулы диметилсульфоксида, популярного в химической отрасли растворителя.
Его добавление внутрь максенов, как обнаружили учёные, позволило более равномерно распределить слои этих двухмерных материалов по толще полимерного материала, что значительным образом улучшило его способность запасать в себе энергию. В этом отношении полимер с включениями «растянутых» максенов примерно втрое превосходит уже существующие наполнители. По прогнозам учёных, подобные композиты войдут в состав устройств накопления и преобразования энергии в ближайшие пять лет.
