Предложен способ увеличения заряда суперконденсаторов

Результаты работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ. Суперконденсаторы — это устройства, накапливающие энергию в двойном электрическом слое на поверхности электрода (так, например, работают электроды платины, золота, углерода).

Суперконденсатор, или ионистор, — это некий гибрид конденсатора и аккумулятора, и по сравнению с ними у него есть ряд преимуществ. Он отличается, во-первых, высокой скоростью накопления электроэнергии и, во-вторых, большей электрической емкостью. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные при гораздо меньших электрических напряжениях.

Эффективное расстояние между обкладками суперконденсатора, которыми служат металлический электрод и слой ионов, в двойном электрическом слое составляет всего несколько нанометров. Поэтому даже при малых приложенных напряжениях суперконденсатор может накопить огромную электрическую энергию.

Авторы статьи провели анализ и определили, как свойства катиона (положительно заряженного иона) ионной жидкости влияют на величину электрической емкости суперконденсатора. Существующие теоретические модели описывают ионы в суперконденсаторах как бесструктурные заряженные частицы, не конкретизируя, чем один ион отличается от другого.

Но для ионных жидкостей важны не только электрический заряд и размер каждого иона, но и такие характеристики, как дипольный момент катиона и электронная поляризуемость. Ученые проанализировали, как ведет себя дифференциальная емкость в зависимости от напряжения при увеличении постоянного дипольного момента и статической поляризуемости катионов для ионных жидкостей и их разбавленных растворов.

В обоих случаях увеличение поляризуемости или постоянного дипольного момента катионов приводит к значительному увеличению дифференциальной емкости при отрицательных напряжениях. Такое поведение дифференциальной емкости авторы объяснили дополнительным притяжением катиона, обладающего постоянным или наведенным дипольным моментом, к электроду в неоднородном электрическом поле.

«Мы показали очень важную вещь, — объясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Емкость — а это главная характеристика, которая показывает, как много двойной электрический слой может накопить энергии, — чувствительна к изменению дипольного момента и поляризуемости органического катиона. Это дает возможность экспериментатору — инженеру-электрохимику, если он хочет достичь больших емкостей, заранее выбрать такую ионную жидкость, катион которой обладает большим дипольным моментом или поляризуемостью».

Ученые отмечают, что их работа фундаментальная и в будущем позволит инженерам-экспериментаторам делать более точные расчеты при проектировании суперконденсаторов. Их используют в качестве источников питания в разных отраслях промышленности — от жилищного хозяйства до альтернативных источников энергии, а также в электронных и мобильных устройствах, в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров, микросхем памяти и электронных часов.

«Мы планируем разрабатывать программное обеспечение, которое позволит спрогнозировать емкостные свойства различных ионных жидкостей и растворов электролитов на конкретных электродах — углерод, золото, платина. Также программное обеспечение будет учитывать эффект, связанный с диэлектрическими свойствами ионов», — подчеркнул профессор Будков.

НИУ ВШЭ

300 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше