Использующиеся сегодня элементы питания являются по большей части химическими. Наибольшее распространение с недавних пор получили литий-ионные аккумуляторы, которые применяются в самых разных устройствах - от телефонов и ноутбуков до электромобилей. При этом слабые стороны есть и у них. Они долго заряжаются, начинают деградировать сразу после схода с конвейера, весьма недешевы и крайне небезопасны для окружающей среды. Кроме того, в них используются легковоспламеняющиеся электролиты, которым свойственно время от времени загораться. Это особенно ярко проявилось несколько лет назад, когда СМИ описывали целую эпидемию возгораний среди гироскутеров. И если обычный потребитель готов мириться с этими рисками, то, допустим, энергетические компании вводят серьезные ограничения на их использование.
Суперконденсаторы могут стать отличной альтернативой химическим элементам питания. Это те же самые конденсаторы, которые уже нашли широкое применение, только с добавлением материалов, призванных удержать больше заряженных частиц. Эти устройства хранят энергию в виде статического электричества. Широкому кругу читателей оно знакомо по искоркам, которые эффектно трещат, когда снимаешь с себя шерстяную одежду. Суперконденсаторы состоят из двух пластинчатых электродов, пропитанных жидким электролитом и разделенных изолятором. Если подать на них напряжение, противоположные заряды будут накапливаться двойным электрическим слоем, что позволяет увеличить количество хранящейся энергии.
Объяснить принципиальную разницу между аккумуляторами и суперконденсаторами можно с помощью таких понятий, как плотность энергии и плотность мощности. Первое - это то количество энергии, которое может храниться в единице массы. Второе - это скорость, с которой данная энергия может быть "выкачана". У суперконденсаторов по сравнению с аккумуляторами гораздо больше плотность мощности, то есть они способны отдать большое количество энергии за малый временной промежуток. Но у них значительно меньше плотность энергии, что негативно сказывается на ёмкости. При этом суперконденсаторы очень быстро заряжаются - за минуты или даже секунды, а не за часы, что особенно заметно, например, у электромобилей.
Все вышеописанные свойства связаны с тем, что суперконденсаторы хранят заряженные частицы только на границе соприкосновения электродов и электролита. Однако эту ситуацию можно изменить с помощью использования новых материалов. Исследователи называют их поверхностно-активными ионными жидкостями (SAIL, Surface-Active Ionic Liquid), и вас наверняка удивит, что похожие молекулы присутствуют в такой привычной всем субстанции, как мыло. Вернее, во всех моющих средствах. А ещё в слабительном. Это так называемые дипольные молекулы, которые отличаются тем, что на разных их концах разные электрические заряды. Благодаря этому ионные жидкости могут без посторонней помощи организовываться в двухслойную структуру, чем-то напоминающую американский, с двумя кусками хлеба, бутерброд, он же сэндвич. В этой конфигурации плотные слои заряженных ионов на поверхности электрода позволяют накопить гораздо больше энергии. И, возможно, составить конкуренцию по этому показателю литий-ионному аккумулятору.
Впереди, однако, ещё много работы. Новые суперконденсаторы по-прежнему весьма требовательны к температуре окружающей среды и напряжению. Исследователей это не смущает - они чувствуют необходимость в развитии этой технологии и даже планируют интегрировать SAIL в крупные системы, что позволит сделать суперконденсаторы практичными в большем масштабе. Если им удастся добиться успеха в этом деле, мы получим дешевый и экологически чистый способ хранения энергии. С практически мгновенной подзарядкой.
