Прорив деревної камеді збільшує термін служби суперконденсаторів

Акумулятори є одними з найпопулярніших накопичувачів енергії. Ці електрохімічні пристрої можна заряджати та розряджати багато разів без пошкоджень. Вони пропонують численні переваги, такі як зниження витрат на енергію, підвищення енергетичної незалежності, покращена стабільність мережі та підтримка інтеграції відновлюваних джерел енергії. 

Але є інший електрохімічний накопичувач енергії, який може похвалитися набагато більшими можливостями, ніж батареї. що пристрій — суперконденсатор, який також називають ультраконденсатором або електрохімічним конденсатором.

Пристрій накопичення енергії великої ємності, суперконденсатор, заповнює розрив між батареями та звичайними конденсаторами. 

Цей пристрій демонструє високу щільність потужності, яка приблизно в тисячу разів вища, ніж у акумуляторних батарей. Він також накопичує більше заряду, ніж конденсатор, і заряджається та розряджається швидше, ніж батареї.

Окрім тривалої циклічної стабільності, суперконденсатори мають ефективність швидкої зарядки/розрядки, що робить їх придатними для застосувань, які потребують швидких спалахів потужності. Сьогодні суперконденсатори все частіше використовуються в ряді застосувань, включаючи лазери, портативні джерела живлення, спалахи камер, генератори імпульсного світла, системи відновлюваної енергії, гібридні електричні транспортні засоби та промислове резервне живлення.

Тепер суперконденсатор складається з двох електродів, електронних провідників, з’єднаних із зовнішнім ланцюгом, які розділені електролітом, іонним провідником і сепаратором, який є мембраною, яка електрично розділяє їх так, щоб електроди не замикалися, дозволяючи певним іонам проходити через них, щоб запобігти розриву ланцюга в системі.

Завдяки високій питомій потужності та екологічності, наприклад можливості вторинної переробки, суперконденсатор є однією з найбільш активно досліджуваних систем зберігання енергії.

У суперконденсаторі реакція, керована поверхнею, головним чином визначає його ємність. Таким чином, стабільний інтерфейс між електродом і електролітом є ключовим для досягнення високої продуктивності та забезпечення стабільної електрохімічної роботи.

Міжфазні властивості мають вирішальне значення для забезпечення високих електрохімічних характеристик, тому дослідники розробляють різні методи покращення та подолання пов’язаних з ними проблем.

Однак усі ці спроби стикаються зі значними обмеженнями, такими як масштабованість, вартість, екологічність і кілька етапів обробки. Отже, життєво важливо знайти стійке рішення, яке відповідає цим критеріям і все ще може досягти суперконденсатора з високою щільністю енергії/потужності для тривалої роботи. 

Отже, команда дослідників з трьох різних установ зібралася, щоб представити нову електролітну добавку, яка складається з кон’югованого біополімеру камеді кондагогу або альгінату натрію (KS). Ця деревна гумка не тільки широко доступна, але й підлягає переробці. 

Додавання камеді дерева створило захисний шар на поверхні електрода, який запобігав утворенню побічних продуктів, забезпечуючи легкий транспорт іонів/електронів. Примітно, що використання цієї нової концепції добавки в системі суперконденсаторів призводить до підвищення електрохімічної надійності. 

При навіть невеликій концентрації KS, тобто 5 мг мл-1, збереження ємності покращилося на цілих 35% до колосальних 93% протягом 30,000 4.0 циклів при щільності струму 2 мА см-2. Це просто «чудово», враховуючи використання кислого електроліту H4SOXNUMX і вугільного електрода. 

Дослідження називає це «найпершим звітом» про значне покращення тривалої роботи суперконденсатора завдяки введенню біополімерної кон’югатної електролітної добавки. Це рішення, завдяки своїй простоті, дешевизні та екологічності, має потенціал для комерціалізації.

Роль камеді дерева в суперконденсаторах наступного покоління

Дослідники з університетів Шотландії, Південної Кореї та¹ Індія провела дослідження, яке було опубліковано цього місяця в Energy Storage Materials. 

Це включає в себе Університет Глазго, Університет Чунг-Анга, Університет Аджоу, Університет Амріта та Університет Мьондзі, які разом розробили сполучену композитну структуру KS для високостабільного суперконденсатора, який забезпечує біосумісність і відмінну електрохімічну надійність.

Відходи камеді, які тут використовуються, виробляються деревами в Індії. Камеді дерев мають широке застосування в таких галузях, як харчова, косметична та фармацевтична. Однак ця конкретна камедь не має багато практичного застосування.

Насправді використані жувальні гумки викликають «великий головний біль для індійського уряду», зазначив відповідний автор дослідження, д-р Джун Янг Чеонг з інженерної школи Джеймса Ватта Університету Глазго. Він додав:

«Завдяки цьому дослідженню ми знайшли спосіб зробити щось справді вражаюче з цієї гумки, створивши біологічно розкладаний, перероблений біополімер, який забезпечує чудову продуктивність і може значно подовжити термін служби суперконденсаторів». 

Використання кислотних електролітів впливає на довгострокову роботу суперконденсаторів. Викликаючи небажані побічні реакції з їхніми металевими електродами, вони знижують їхню здатність утримувати повний заряд з часом.

Крім того, виникає проблема заміни, переробки та утилізації суперконденсаторів після закінчення терміну служби. Це сприяє швидкому зростанню проблеми електронних відходів, які становлять значну небезпеку для навколишнього середовища та здоров’я.

Отже, команда використовувала камедь кондагогу, полісахарид (складну біомолекулу), що виробляється з кори дерева Cochlospermum Gossypium або кондагогу (KO). Дослідники поєднали його з альгінатом натрію, щоб отримати біополімер, схожий на губку, під назвою «KS».

Додавання цього біополімеру до кислого електроліту сформувало захисний шар на вугільних електродах, що допомогло запобігти фізичній деградації електродів. Цей захист був забезпечений без впливу на процес транспортування іонів, що дозволяє суперконденсатору заряджатися та розряджатися.

Покращений електроліт значно підвищив продуктивність суперконденсатора.

"У лабораторії ми показали чудову продуктивність протягом 30,000 80 циклів. Якщо ми будемо запускати один цикл на день, суперконденсатор теоретично зможе пропрацювати більше XNUMX років без значної втрати продуктивності, що може означати, що суперконденсатори можна буде використовувати в пристроях набагато довше без заміни". 

– Доктор Чеонг

Дослідження насправді базується на поточних дослідженнях доктора Чеонга щодо використання біовідходів у акумуляторах. Його дослідження також показали ефективність використання зв’язуючих камедь, які розчиняються у воді, у графітових анодах літій-іонних акумуляторів.

«Водорозчинні зв’язувальні речовини біовідходів для природного графітового анода для літій-іонних батарей» дослідження було опубліковано² минулого літа, в якому говорилося про заміну звичайного полівініліденфториду (PVdF), який використовує шкідливий для навколишнього середовища N-метил-2-піролідон, водорозчинним сполучним.

У дослідженні детально описано виготовлення анодів на основі природного графіту з використанням PVdF і зв’язуючих речовин із водорозчинних біовідходів (W-SB) із камеді дерева Cochlospermum gossypium. Обидва вони використовували 10 мас.% сполучного. 

Електрод NG-W-SB продемонстрував хороші механічні властивості та зберіг структурну цілісність після циклювання, сприяючи низькому опору передачі заряду на електроді. Він також показав високі піки струму в першому циклі, що вказує на покращену електрохімічну продуктивність, на відміну від дещо низьких піків електрода NG-PVdF, який зазнав подальшого зниження ємності відразу після 200 циклів. NG-W-SB, тим часом, має вищу стабільну ємність, яка досягає 360 циклів.

«Загалом сполучні речовини W-SB показали значно покращені характеристики утримування циклів, порівнянну швидкість і нижчий опір електродів, що відкрило новий шлях для прийняття біовідходів (гумки) як функціонального водорозчинного зв’язуючого для застосувань LIBs», — зазначається в дослідженні.

Ще одне дослідження доктора Чеонга³ включає в себе «Активоване вугілля, отримане з органічних матеріалів для екологічно чистого суперконденсатора з тутового паперу», де активоване вугілля (AC) було виготовлено з використанням апельсинової шкірки (OP), звичайних відходів, на які потім було нанесено покриття на тутовий папір (MP), що демонструє гідрофільність, високий вміст голоцелюлози та міцне зв’язування з активним матеріалом. Ще одне покриття з полі (3,4-етилендіокситіофен) полістиролсульфонат (PEDOT: PSS) було використано для виготовлення MP з подвійним покриттям для суперконденсатора.

Інші розробки в галузі суперконденсаторів

Враховуючи те, наскільки суперконденсатори важливі для різних застосувань, дослідники в усьому світі активно досліджують шляхи покращення їх продуктивності. 

Плазмова обробка для покращення ємності

Буквально на початку цього місяця вчені зі Сколковського інституту науки і технологій (Сколтех) Росії оприлюднили плазмову обробку, яка може подвоїти ємність суперконденсаторів.

Команда, за словами головного дослідника дослідження, доцента Станіслава Євлашина, шукає шляхи покращення продуктивності суперконденсаторів, «переробляючи матеріал на основі вуглецю, який використовується в їхніх електродах».

Є два способи збільшити кількість енергії, яку зберігає суперконденсатор, пояснив Євлашин:

«Ви або збільшуєте ефективну площу поверхні електродів за допомогою складного дизайну поверхні, або ви вводите сторонні атоми в вуглецевий матеріал електродів».

Їхнє дослідження було зосереджено на ефекті введення чужорідних атомів у вуглецевий матеріал електродів суперконденсатора за допомогою плазмової обробки. 

Команда перевірила вплив плазми з шістьма різними хімічними складами на ємність вуглецевих наностенок, але лише плазма, що складається із суміші азоту та аргону, продемонструвала значне покращення. 

"Ми виявили, що спочатку відбувається видалення аморфного вуглецю, який залишився після зростання структур вуглецевих наностінок. Після цього відбувається утворення нових дефектів і включення гетероатомів у структуру вуглецевого матеріалу. Аморфний вуглець разом із гетероатомами азоту сприяє виникненню псевдоємності".

– Євлашин

Підвищення продуктивності завдяки розробці електродів і матеріалів

Цього тижня дослідники з Каліфорнійського університету ім сконструйована електрокристалізаційна орієнтація⁴ а також поверхнева активація під широкотемпературними ZHSC або суперконденсаторами іонів цинку.

Як зазначається в дослідженні, відповідність ємності анода та катода необхідна для максимізації ефективності електрохімічної комірки. Тому вони представили два підходи до вирівнювання використання електродів у ЖСК. 

Це включає мінімізацію утворення дендритів, що збільшує термін служби циклу, шляхом модифікації анодного струмоприймача наночастинками міді. Іншою стратегією було збільшення ємності катода з активованого вугілля за допомогою реакції електроліту.

Повний елемент зберігав 84% своєї ємності навіть після 50,000 2 повних циклів заряджання-розряджання до 19.8 В. Його кумулятивна ємність, тим часом, становила 2 А·год см−XNUMX, що перевищує ZHSC, що робить дизайн цього пристрою «обіцяючим для додатків з високою витривалістю, включаючи джерела безперебійного живлення та системи збору енергії, які вимагають частого перемикання».

Тим часом дослідження минулого місяця рекомендований⁵ модифікація аніонної структури оксиду літію і кобальту для покращення щільності енергії та здатності накопичувати заряд суперконденсаторів.

Для цього літій-кобальтовий оксид був модифікований до LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, який продемонстрував вражаючі робочі характеристики, включаючи ємність 512 Ф г-1 і кулонівську ефективність трохи більше 92% після 4000 циклів при щільності струму 2 А г-1. Електрохімічна стабільність модифікованого матеріалу при підвищеній швидкості струму, а також низький еквівалентний послідовний опір, згідно з дослідженням, «позиціонують його як важливого кандидата для майбутніх досягнень у технології суперконденсаторів».

Пластикові суперконденсатори для більшого накопичення енергії

Дослідники навіть використовують пластик для вдосконалення суперконденсаторів. Хіміки UCLA розвиненою текстуровані, схожі на хутро нановолокна PEDOT, які мають більшу площу поверхні для зберігання заряду та чудову електропровідність.

PEDOT або полі(3,4-етилендіокситіофен) — це прозора та гнучка плівка, яка наноситься на поверхні електронних компонентів і фотоплівок для захисту їх від статичної електрики. Його потенціал накопичення енергії досить обмежений, оскільки матеріали PEDOT не мають електропровідності та площі поверхні, необхідних для утримання великої кількості енергії.

Однак, використовуючи інноваційний метод, хіміки контролювали морфологію PEDOT для точного вирощування нановолокон. Процес зростання в паровій фазі створив вертикальні нановолокна PEDOT, які виглядали як густа трава, що росте вгору.

«Унікальний вертикальний ріст матеріалу дозволяє нам створювати електроди PEDOT, які накопичують набагато більше енергії, ніж традиційний PEDOT».

– Автор-кореспондент, науковець з матеріалів UCLA Махер Ель-Каді

Потім команда створила суперконденсатор, використовуючи структури PEDOT, який накопичував майже в десять разів більше заряду, ніж звичайний PEDOT, і витримав майже 100,000 XNUMX циклів заряджання.

За словами автора-кореспондента Річарда Канера, який є професором хімії, а також матеріалознавства та інженерії:

«Виняткова продуктивність і довговічність наших електродів показують великий потенціал для використання графену PEDOT у суперконденсаторах, які можуть допомогти нашому суспільству задовольнити наші енергетичні потреби».

Натисніть тут, щоб дізнатися все про самозаряджаючі суперконденсатори.

Додавання суперконденсаторів до акумуляторів для підвищення швидкості зарядки

Серед усіх цих досліджень навіть німецький автовиробник BMW подала заявку на патент на суперконденсатор який заряджатиме гібридні гоночні автомобілі протягом хвилини.

Компанія вивчає потенціал додавання в батареї спеціального суперконденсатора для автоспорту, щоб значно скоротити час зарядки. Відповідно до заявки, з’єднання гібридного суперкара потужністю понад 20 кВт/год з існуючою системою на основі акумулятора допоможе подолати деякі ключові недоліки обох систем.

За оцінками BMW, «для клієнта, який хоче керувати автомобілем на гоночному треку, це може надати можливість безперервно їздити на фізичних межах з короткими перервами».

Тим часом його конкурент, Volkswagen Group, уже використовує суперконденсатор у Lamborghini Sian. Суперконденсатор накопичує електричну енергію, яка потім подається на електродвигун. Sian має двигун потужністю 25 кВт, вбудований у коробку передач, щоб забезпечити електричне наддув 577-літровому V6.5 потужністю 12 кВт або повністю використовувати електроенергію під час маневрування на низькій швидкості.

Інноваційні компанії в галузі

Розмір світового ринку суперконденсаторів обчислюється мільярдами доларів, що обумовлено зростаючим попитом на стійкі та енергоефективні рішення для зберігання енергії. Тому багато компаній, наприклад Panasonic Corporation і Skeleton Technologies, працюють над удосконаленням технології.

Помітним ім’ям у цьому просторі є AVX Corporation, яку придбав японський виробник електроніки Kyocera Corporation у 2020 році, після чого звичайні акції AVX припинили торгівлю на NYSE. Тим часом акції Kyocera торгуються на позабіржовому ринку (KYOCF:OTCPK) за 10.70 дол., що означає ринкову капіталізацію 15.85 млрд дол. Він виплачує дивідендну прибутковість 3.12%.

Корпорація KEMET також відома тим, що пропонує широкий спектр суперконденсаторів з високопродуктивними можливостями, які можна використовувати як вторинні батареї при застосуванні в ланцюзі постійного струму. Згідно з офіційним веб-сайтом, пристрої найкраще підходять для використання в системах із затримкою постійного струму з низькою напругою. Спочатку американська компанія, яка стала публічною на NYSE у 1990 році, KEMET була придбана тайванською компанією Yageo Corporation у 2020 році.

Ще одним відомим виробником ультраконденсаторів є Maxwell Technologies. Tesla придбала його в 2019 році, а в 2021 році продала його UCAP Power. Незважаючи на продаж Maxwell, виробник електромобілів і акумуляторів з ринковою капіталізацією 817.34 мільярда доларів зберіг процес виробництва сухих електродів, який базується на його конденсаторній технології. Зараз акції TSLA впали більш ніж на 37% з початку року, коли вони торгуються за 248.80 доларів США.

Крім того, є австралійська ​CAP-XX, яка виробляє тонкі призматичні суперконденсатори для використання в споживчих кишенькових пристроях, комерційній і промисловій електроніці, а також у системах чистої енергії. Він котирується на ринку AIM Лондонської фондової біржі.

Суперконденсатори CAP-XX мають високу щільність енергії, високу напругу елемента та надзвичайно низький струм витоку. За допомогою суперконденсаторів виробники можуть зменшити розмір, вагу та вартість батареї, кількість і вартість залучених компонентів, а також їхній вплив на навколишнє середовище.

Висновок

У той час як батареї захопили центр уваги, суперконденсатори набирають обертів, оскільки вони стають одним із найважливіших компонентів глобальної енергетичної екосистеми. Зрештою, вони можуть запропонувати високу ефективність, тривалий термін служби та миттєву подачу електроенергії.

В даний час суперконденсатори доповнюють сектор зберігання енергії для таких застосувань, як споживча електроніка, згладжування відновлюваної енергії, гібридні електромобілі та резервне живлення, які вимагають швидких циклів заряду-розряду та тривалого терміну служби.

Таким чином, широке впровадження суперконденсаторів все ще обмежене проблемами вартості, матеріалів і екології. Однак такі підходи, як біополімери на основі деревної камеді, вирішують саме ці проблеми, що вказує на багатообіцяюче майбутнє для суперконденсаторів. Тим не менш, комерціалізація займе час, але як тільки вона наросте, суперконденсатори можуть стати основними і відігравати ключову роль у стійких енергетичних системах.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих запасів акумуляторів.

Посилання на дослідження:

1. Лі, С., Парк, Дж. Й., Юн, Х., Парк, Дж., Лі, Дж., Хван, Б., Паділь, В. В. Т., Чонг, Дж. Й., і Юн, Т. Г. (2025). Довговічний суперконденсатор зі стабільним інтерфейсом електрод-електроліт, що забезпечується біополімерною добавкою до електроліту. Матеріали для зберігання енергії, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Чанг, Дж. Х., Пін, М. В., Мсалілва, Л. Р., Шин, Ш., Хан, Ч., Ю. Х., Чандіо, З. А., Паділь, В. В. Т., Кім, Ю., і Чеонг, Дж. Й. (2024). Водорозчинні біологічні відходи зв'язуючі камеді для природного графітового анода для літій-іонних батарей. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Хан Ю., Юн Х., Чонг Дж. Й. та Хван Б. (2025). Активоване вугілля, отримане з органічного матеріалу, для екологічно чистого суперконденсатора з тутового паперу. Міжнародний журнал енергетичних досліджень, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Яо, Л., Коріпаллі, Н., Шін, Ч. та ін. (2025). Інженерна орієнтація електрокристалізації та поверхнева активація в широкотемпературних цинкових іонних суперконденсаторах. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Хашемзаде С.М., Хоршиді А. та Арванд М. (2025). Аніонна інженерія в оксиді кобальту літію для застосування у високопродуктивних суперконденсаторах. Наукові звіти, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7