Швейцарские материаловеды напечатали биоразлагаемый суперконденсатор без металлов и пластика. Устройство состоит из целлюлозы и материалов на основе углерода, может питать электронные часы в течение двадцати минут, а после использования разлагается в почве за два месяца. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Ежегодно человечество отправляет на свалку более пятидесяти миллионов тонн всевозможных электронных устройств. Электронный мусор содержит токсичные металлы, пластик и другие опасные для окружающей среды вещества. С ростом популярности носимых сенсоров, умных татуировок и других компонентов интернета вещей проблема встанет еще острей — ведь многие такие устройства будут одноразовыми. Поэтому инженеры и материаловеды работают над созданием одноразовой электроники, которую можно было бы напечатать из доступных материалов и легко утилизировать после использования.
Густав Нистрем (Gustav Nyström) вместе со своими коллегами из Швейцарских Федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) придумал биоразлагаемый суперконденсатор без металлов и пластика, который можно напечатать на 3D-принтере.
Суперконденсатор (или ионистор) — устройство, подобное конденсатору, в котором роль обкладок выполняет двойной электрический слой на границе раздела электрод/электролит. Емкость суперконденсаторов можно наращивать, увеличивая контактную площадь электрода. Суперконденсаторы занимают промежуточное положение между стандартными конденсаторами и электрическими аккумуляторами. Они способны заряжаться быстрее аккумуляторов и при этом обладают более высокой емкостью, чем конденсаторы.
Нистрем и его коллеги, которая состоит из трех слоев — токоприемник, электрод и электролит. Все слои они наносили с помощью метода робокастинга (Direct Ink Writing). Сначала напечатали подложку из целлюлозных нановолокон и нанокристаллов, связанных с помощью глицерина, затем поверх нее нанесли слой токоприемника из частиц технического углерода и графита в матрице из шеллака. Для электродов приготовили чернила на основе наноцеллюлозы с добавками активированного угля и графита — это нужно для того, чтобы увеличить площадь двойного электрического слоя и емкость будущего суперконденсатора. Перед нанесением электролита будущие суперконденсаторы выдерживали в течение семи дней при температуре двадцать градусов Цельсия относительной влажности 65 процентов, чтобы растворитель испарялся медленно и в электродах не было трещин. Чернила для слоя электролита сделали из глицерина, наноцеллюлозы и хлорида натрия. Затем к токоприемнику приклеили контакты и присоединили готовый суперконденсатор к сети. Положительно заряженные ионы натрия начали к катоду, а отрицательно заряженные хлорид-ионы — к аноду, и у каждого электрода сформировался двойной электрический слой.
Процесс печати суперконденсатора
Источник изображения: Aeby et al./ Advanced Materials, 2021
Готовый суперконденсатор демонстрирует емкость 25,6 фарад на грамм — это немногим меньше, чем рекорд среди углеродных суперконденсаторов и в десять раз больше, чем предыдущий рекорд для конденсаторов, полностью созданных с помощью 3D-печати. Шесть устройств, соединенных последовательно после трех минут зарядки при потенциале 3 вольта могут питать электронные часы в течение двадцати минут. Устройство может работать при температуре от минус двадцати до сорока градусов Цельсия и выдерживает две тысячи циклов зарядка-разрядка, при этом емкость уменьшается менее, чем на один процент. Механическая прочность тоже оказалась на высоте — конденсатор выдержал нагрузку в двести килопаскаль, потеряв только 5 процентов емкости.
Чтобы выяснить, как будет протекать процесс разложения использованных устройств, ученые закопали их в почву. Через девять недель потеря массы составила около 50 процентов — в основном за счет целлюлозы, глицерина и органических добавок. Твердый остаток в основном состоял из углерода (в виде графита, технического углерода и нановолокон). Его можно собрать и регенерировать, но можно и оставить в почве — этот материал не токсичен и опасности для окружающей среды не представляет.
В прошлом месяце мы писали о перерабатываемом транзисторе на бумажной подложке, который разработали ученые из США. Транзистор полностью состоит из углеродных материалов: в качестве полупроводника использовали углеродные нанотрубки, в качестве диэлектрика —кристаллическую наноцеллюлозу, а проводящие контакты сделали из графена.
Наталия Самойлова