Российские исследователи «заглянули внутрь» нанопоры суперконденсатора

Исследование опубликовано в журнале Journal of Molecular Liquids. Работа выполнена в рамках гранта РНФ. Соль в твердом состоянии имеет структуру, при которой ее заряженные частицы (ионы) упорядочены в кристаллической решетке. Но если нагреть, например, поваренную соль до температуры около 800 градусов, то кристаллическая решетка разрушится, ионы начнут свободно двигаться, и твердые кристаллы преобразуются в жидкость. Такие соли называют ионными жидкостями. Исследователи считают, что ионные жидкости перспективно использовать как альтернативу растворам электролитов в суперконденсаторах — электрохимических устройств для хранения энергии.

Плюс использования ионных жидкостей в том, что их ионы подвижнее, чем в твердых электролитах с кристаллической решеткой, а концентрация ионов выше, чем в растворах, благодаря тому, что ионы не отделены друг от друга молекулами растворителя. Также из-за особенностей структуры они остаются жидкими при низких температурах, что важно при производстве суперконденсаторов для устройств цифровой связи, бытовой электроники, гибридных электромобилей и так далее.

Ионные жидкости как электролит применяют совместно с пористыми электродами. И чтобы использовать их эффективно, нужно понимать и учитывать их структурные и электрические свойства внутри маленьких пор электрода. Российские ученые смоделировали поведение четырех ионных жидкостей и выяснили, как влияет на их свойства замена ионов. Моделирование проводилось в наноразмерных порах с заряженными углеродными стенками шириной от 1 до 15 нм с использованием катионов [EMIM]+ и [OMIM]+ ( 1-этил-3-метилимидазолий и 1-октил-3-метилимидазолий), а также анионов [BF4]- и [NTf2]- (тетрафторборат и бис(трифторметилсульфонил)имид).

Исследователи изучили, как влияет замена иона на коэффициент диффузии — показатель, который определяет подвижность ионов. Чем выше коэффициент диффузии, тем больше подвижность. А если подвижность большая, то ионную жидкость можно использовать как среду для эффективного переноса заряда.

«Экспериментально нет возможности измерить коэффициент диффузии ионной жидкости в нанопоре. Но с помощью моделирования динамики молекул и даже атомов, взаимодействующих друг с другом, мы можем “подглядеть”, что происходит внутри вещества, — поясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Мы “ставим компьютерный эксперимент”, решая уравнения Ньютона для каждого атома и молекулы. А затем с помощью методов статистической физики рассчитываем характеристики, которые нам интересны: коэффициенты диффузии и электропроводности, парные корреляционные функции, угловые распределения и так далее».

Как и ожидали ученые, коэффициент диффузии у катиона [EMIM]+ (положительно заряженного иона) оказался выше, чем у катиона [OMIM]+ с длинной алкильной цепью, которая и ограничивает его подвижность. При этом противоположный результат получился при моделировании аниона (отрицательно заряженного иона). Выяснилось, что с увеличением размера аниона подвижность, наоборот, растет. Ученые предполагают, что для малых анионов происходит более сильное связывание с катионом, из-за чего их подвижность снижается.

«Можно представить это на модели двух заряженных шариков — большого и малого размеров. Если взять одинаковое количество заряда и распределить его по поверхности, то на шаре меньшего размера плотность заряда получится больше, — поясняет Юрий Будков. — Поэтому анион меньшего размера сможет сильнее связываться с заряженными стенками поры и катионами. И получается, что уменьшение размера приводит к уменьшению подвижности».

В целом у катионов коэффициенты диффузии оказались выше, чем у анионов, даже если радиус и молярная масса были больше. Как следствие, катионы лучше переносят заряд по сравнению с анионами, несмотря на их размер. Жидкость [EMIM][NTf2], ионы которой имеют более высокие коэффициенты диффузии, обладала наибольшей электропроводностью. В то же время, несмотря на более низкие коэффициенты диффузии ионов, [EMIM][BF4] по сравнению с [OMIM][NTf2] обладала более высокой электропроводностью. Ученые считают, что это связано с высокой концентрацией носителей заряда.

«Полученные данные интересны для электрохимических приложений, которые используют при разработке суперконденсаторов. Сейчас мы изучили основные особенности влияния химической структуры катиона и природы аниона на транспортные свойства ионных жидкостей в условиях ограниченной геометрии. В будущем мы планируем также рассмотреть новые ионные жидкости с примесями различных растворителей и дополнительно вычислить не изученный в этом исследовании параметр вязкости», — поясняет один из авторов статьи, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина. 

НИУ ВШЭ

344 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