В НИУ ВШЭ разработали новую модель для создания суперконденсаторов
Модель учитывает широкий спектр взаимодействий ионов с электродами и позволяет предсказывать способность устройства накапливать электрический заряд. Теоретические предсказания модели совпали с результатами экспериментов. Данные о поведении двойного электрического слоя могут помочь в разработке более эффективных суперконденсаторов для портативной электроники и электромобилей.
Исследование опубликовано в журнале ChemPhysChem. Существует множество устройств, которые сохраняют энергию для дальнейшего использования. Один из самых известных примеров — аккумуляторы. Они способны стабильно отдавать энергию, поддерживая одинаковую мощность, независимо от условий или нагрузки, пока не разрядятся.
Суперконденсаторы — это уже источник не постоянной, а импульсной мощности. Если аккумулятор — это банка, куда постепенно складывают энергию, которую потом используют долгое время, то суперконденсатор похож на ведро, которое можно быстро наполнить энергией и так же быстро опустошить. То есть суперконденсатор способен сохранять энергию на короткий срок и моментально отдавать её большим потоком.
Мощность суперконденсатора зависит от внутреннего сопротивления, которое весьма велико. Это позволяет суперконденсатору работать с очень большими токами, почти как при коротком замыкании. Такая система полезна, когда нужно быстро получить мощный заряд, и используется в автомобилях, системах аварийного питания и компактных устройствах. Это возможно благодаря тому, что в суперконденсаторе энергия накапливается с помощью ДЭС.
Способность любого конденсатора накапливать заряд определяется площадью обкладок, расстоянием между ними и типом диэлектрика. Благодаря тому, что слой электролита между пластинами суперконденсатора всего несколько нанометров, а пористое покрытие на электродах позволяет добиться большой площади, суперконденсаторы могут значительно превосходить классические конденсаторы по количеству накопленной энергии.
В реальных условиях на двойной электрический слой влияют химические взаимодействия, происходящие на квантовом уровне. Поэтому важно подробно исследовать свойства ДЭС и влияющие на него факторы, чтобы повысить эффективность электрических устройств.
Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ и Института химической физики имени Н. Н. Семёнова создали модель для описания двойного электрического слоя на границе электрод — электролит. Для расчетов использовалось модифицированное уравнение Пуассона — Больцмана. В модели учли специфические взаимодействия между ионами, их окружение молекулами воды, влияние электрического поля на диэлектрические свойства воды и ограниченное пространство для ионов у поверхности электрода. Это позволило подробно описать профили дифференциальной электрической емкости — меры того, насколько эффективно ДЭС может накапливать заряд, когда меняется напряжение. Чем выше дифференциальная емкость, тем больше зарядов может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.
В исследовании изучались водные растворы электролитов перхлората натрия (NaClO₄) и гексафторфосфата калия (KPF₆) на границе с серебряным электродом. Полученная модель успешно предсказывала структуру двойного электрического слоя, что позволило прогнозировать поведение емкости при различных концентрациях ионных растворов. Важным достижением стало успешное применение модели к смесям упомянутых электролитов, что демонстрирует ее универсальность и пригодность для предсказания поведения сложных электрохимических систем.
«Теоретические предсказания точно совпали с экспериментальными данными. Это важно, поскольку количественно измерить дифференциальную электрическую емкость в ходе эксперимента не так тривиально и требует тонких времязатратных экспериментов, — комментирует один из авторов статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Модель же позволит предсказывать поведение дифференциальной электрической емкости в условиях, когда экспериментальные данные получить сложно или невозможно».
Это первая работа в серии исследований, направленных на создание комплексной теории двойного электрического слоя на границе металл — электролит применительно к реальным системам. В будущем авторы планируют расширить модель, чтобы охватить системы с более сильными взаимодействиями ионов с электродами, которые встречаются чаще всего.
«Такая модель сможет учитывать больше факторов, влияющих на работу современных электрохимических устройств. Это важно для разработки новых суперконденсаторов, которые смогут использоваться в различных устройствах — от портативной электроники до электромобилей», — считает Юрий Будков.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно