Ученые НИУ ВШЭ открыли способ увеличения ёмкости суперконденсаторов

Суперконденсатор похож на аккумуляторную батарею, но в отличие от последней не предназначен для длительного питания. Вместо этого он превосходен в доставке коротких, но мощных всплесков энергии. Суперконденсаторы обычно используются в качестве резервных источников питания в различных приложениях, включая смартфоны, автомобили и компактные электронные устройства. Например, в цифровых видеорегистраторах суперконденсатор служит для поддержания заряда, чтобы обеспечить завершение и сохранение видеозаписей в случае остановки транспортного средства или потери основного источника питания.

Суперконденсаторы демонстрируют меньший износ и в среднем служат на 5–10 лет дольше, чем батареи. Кроме того, суперконденсаторы демонстрируют исключительную эффективность в широком диапазоне температур от -40°C до +65°C, что вдвое превышает рабочий диапазон литий-ионных аккумуляторов.

Суперконденсатор состоит из металлических электродов, погруженных в электролит — жидкий раствор, содержащий свободные заряженные частицы, как катионы, так и анионы. Заряд в суперконденсаторе накапливается внутри двойного электрического слоя (ДЭС), образующегося на границе между жидким электролитом и электродом, к которому подключен электрический потенциал. Первый слой соответствует самому электроду, а второй слой состоит из ионов электролита, которые притягиваются к электроду силами электростатического притяжения.

Исследователи МИЭМ НИУ ВШЭ разработали математическую модель ДЭС, в которой традиционные низкомолекулярные электролиты заменены альтернативными полимерами. Полиэлектролиты помогают увеличить электрическую емкость, т. е. увеличить количество электричества, которое может хранить устройство, поскольку заряженная полимерная цепь проявляет более эффективное притяжение к электроду, чем низкомолекулярный электролит. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review E.

Низкомолекулярные электролиты включают органические соли, кислоты и основания со свободноподвижными катионами и анионами. Полимерные электролиты, или полиэлектролиты, представляют собой более сложные соединения, в которых ионы одного типа (например, катионы) сшиты внутри длинных полимерных цепей, а другой тип (анионы) остаются подвижными.

Новая модель впервые показала, что при чрезмерно узких порах электрода (с толщиной равной или менее 1 нм) полимерные цепи электролита не могут проникнуть в них из-за электростатического отталкивания, создаваемого стенки пор.

«Возьмем аналогию с макаронами и дуршлагом. Если взять и длинные, и короткие макароны, то более коротким кусочкам легче пройти через дуршлаг. Однако чем больше отверстия, тем больше вероятность, что более длинные макароны проскользнут через дуршлаг. «Полимерные цепи можно уподобить длинным макаронным изделиям, которые бывает очень сложно протолкнуть через узкую пору», — говорит один из авторов исследования, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков.

Это явление не происходит с низкомолекулярными электролитами, так как размер их ионов обычно составляет от 0,3 до 0,4 нм, что позволяет им легко перемещаться в порах размером 1 нм.

«Используя полимеры, мы можем повысить электрическую емкость, однако крайне важно предотвратить любые возможные неблагоприятные эффекты. Мы определили оптимальные параметры для эффективной работы полимера и считаем, что грамотное использование полиэлектролитов может позволить запасать больше энергии», — поясняет Николай Каликин, младший научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ.

Суперконденсаторы находят применение в различных отраслях, включая возобновляемые источники энергии, робототехнику и даже общественный транспорт. Например, в некоторых электрических автобусах используются суперконденсаторы для быстрой подзарядки во время остановок и быстрого перехода к следующему пункту назначения.

«Эта статья является частью более широкого исследовательского проекта. В настоящее время мы разрабатываем методологию численного моделирования двойных электрических слоев на границе раздела металла и электролита. Мы заложили теоретическую основу и планируем разработать программу в будущем, что позволит моделировать поведение ионов и проводить инженерные оценки дифференциальной электрической емкости», — комментирует Будков. «Это поможет инженерам в разработке суперконденсаторов, обеспечивая более глубокое понимание физических и химических процессов, происходящих в двойных электрических слоях, что в конечном итоге приведет к созданию более мощных и эффективных устройств».

На рисунке: Расклинивающее давление в зависимости от расстояния между стенками, дополненное профилями концентрации мономерных звеньев и противоионов. Данные показаны для ϕ₀= 0,1, ψ₀= 0,1В, ɛ=40ε₀, b=v^1/3=0,5нм, T=300K и q=1,6 × 10^-19C.

Источник