Створивши новий графеновий матеріал, інженери змогли полегшити рух іонів і збільшити потужність та енергетичну місткість своїх суперконденсаторів. Суперконденсатори — це відповідь на проблему виснаження потужності та енергії. Маючи значно більшу питомо потужність, ніж акумулятори, і більшу густину енергії, ніж діелектричні конденсатори (які зберігають електричний заряд), ці гібриди майбутнього мають поєднати надшвидку зарядку зі збільшеною потужністю. Проте наразі вони мають один істотний недолік: матеріали, з яких їх виготовляють, не здатні повністю реалізувати свій потенціал зберігання. Графен — один із найпоширеніших матеріалів для електродів у цих «атомних паливних баках», оскільки його висока провідність дозволяє іонам рухатися швидше та забезпечує більшу площу для їхнього накопичення. Проблема в тому, що реально доступною є лише частина цієї площі, а попередні спроби її оптимізації все ще були недостатніми. На сцену виходить механічний інженер Майнак Маджумдер та його дослідницька команда з університету Монаша в Австралії. Розуміючи, що потреба у високій густині енергії зростає паралельно зі зростанням попиту на компактну та портативну електроніку, Маджумдер вирішив знайти рішення для обмежень суперконденсаторів. Причина, через яку сучасні технології не можуть розкрити повний потенціал, полягає у хімічних взаємодіях, які не дають іонам закріплюватися у проміжках між графеновими шарами у 3D-структурах. Хоча графен дозволяє створювати щільніші електроди, що допомагають іонам рухатися, він усе ж задіює лише невелику частину можливого об’єму зберігання. «Ми розробили графенову структуру, орієнтовану на забезпечення високоефективного об’ємного накопичення енергії», — сказав Маджумдер у дослідженні, опублікованому в Nature Communications. «Об’єднавши нано- та мезорівневі особливості графену в мікронних частинках, ми показали, що багаторівнева структура, яка використовує переваги кожного масштабу, покращує доступ іонів, кінетику транспорту, енергетичну місткість та довгострокову стабільність». Команда усвідомила, що потрібно змінити спосіб термічної обробки графену. Австралія має великі запаси графіту, з якого отримують графен. Дослідники швидко нагріли порошок графітового оксиду й повільно охолодили утворений матеріал — новий вид речовини під назвою багатомасштабний відновлений графеновий оксид (M-rGO). Такий підхід зробив матеріал більш придатним до роботи та зменшив внутрішні напруження, які могли б спричинити руйнування структури. На відміну від графіту, графен має перевагу у вигляді хімічних взаємодій між шарами, де атоми вуглецю утворюють стільникову решітку. Ці шари завтовшки лише в один атом, що робить їх двовимірними. Такі взаємодії створюють «активні енергетичні точки», як їх називає Маджумдер, що полегшують рух іонів. Зазвичай шляхи для іонів у стопках графенових шарів обмежують місткість, адже іонам важко крізь них проходити. Однак після нагрівання та охолодження перетворена структура M-rGO зігнутими нанокристалами й безладно розташованими листками графену стала одночасно й швидкісною трасою, і резервуаром для іонів — що суттєво збільшило ємність накопичення. Нові електроди інтегрували в пакетні комірки. Ці гнучкі та легкі елементи — значно ефективніші за більшість акумуляторів — забезпечують високу енергетичну густину, що робить їх ідеальними для електроніки. Їх використовують не лише в батареях електромобілів, а й у дронах, планшетах і смартфонах. Суперконденсатори Маджумдера не тільки перевершили попередні графенові конструкції за показниками енергії та потужності, але й зберегли стабільність і заряджалися майже миттєво. Їхні результати були настільки вражаючими, що вже розглядається можливість комерціалізації. «Завдяки розширеному вікну напруги […] ці пакетні елементи забезпечують високу об’ємну енергетичну густину», — сказав він. «Висока об’ємна енергія та потужність як у органічних, так і в іонно-рідинних електролітах підкреслюють потужний потенціал багаторівневого підходу для керування активними зонами, механізмами зберігання енергії та транспортом іонів».