Российские ученые нашли способ увеличить емкость суперконденсаторов
Суперконденсатор — устройство, которое за несколько секунд может накопить и отдать заряд энергии. Он состоит из металлических электродов, погруженных в электролит. В своей модели ученые МИЭМ НИУ ВШЭ заменили типичный низкомолекулярный электролит на полиэлектролит и обнаружили негативный физический эффект: суперконденсаторы теряют емкость при размере поры электрода менее одного нанометра. Подобрав грамотные условия для полиэлектролитов, можно создавать более мощные и эффективные устройства.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review E. Суперконденсатор похож на аккумуляторную батарею, но, в отличие от нее, создан не для длительного питания, а для кратковременных и мощных импульсов энергии. Их часто используют как резервный источник питания в смартфонах, автомобилях и мелких устройствах. Например, в видеорегистраторах суперконденсатор поддержит заряд, чтобы завершить и сохранить видеозапись, если автомобиль заглохнет и основной источник энергии отключится. Суперконденсаторы меньше изнашиваются и в среднем служат на 5–10 лет дольше, чем аккумуляторы. Они эффективны при температурах от -40 градусах Цельсия до +65, что в два раза превышает рабочий диапазон литий-ионного аккумулятора.
Суперконденсатор состоит из металлических электродов, погруженных в электролит — жидкость, в которой находятся свободные заряженные частицы, катионы и анионы. Например, поваренная соль — это электролит, при растворении в воде она распадается на ионы Na+ и Cl-. Заряд у суперконденсатора накапливается в двойном электрическом слое (ДЭС). Он образуется на границе сред между жидким электролитом и электродом, к которому подведен электрический потенциал. Первый слой — сам электрод, а второй — ионы электролита, стягивающиеся к нему из-за сил электростатического притяжения.
Исследователи МИЭМ НИУ ВШЭ разработали математическую модель ДЭС, в которой заменили традиционные низкомолекулярные электролиты на полимерные. Полиэлектролиты помогают увеличить электрическую емкость — характеристику, которая показывает, сколько электроэнергии может накопить устройство. Это происходит благодаря тому, что заряженная полимерная цепь эффективнее притягивается к электроду, нежели низкомолекулярный электролит.
Низкомолекулярные электролиты — органические соли, кислоты и основания, катионы и анионы которых свободно перемещаются. Полимерные электролиты (полиэлектролиты) — более сложные соединения, у которых ионы одного типа (скажем, катионы) сшиты в длинные полимерные цепи, а другого (анионы) — свободно перемещаются.
На модели исследователей впервые выяснилось, что если поры электрода слишком узкие (толщина меньше или равна одному нанометру), то полимерные цепи электролита не могут зайти внутрь из-за электростатического отталкивания от стенок поры. «Можно провести бытовую аналогию с макаронами и дуршлагом. Если вы берете длинные и короткие макароны, то короткие проходят через дуршлаг лучше. Но чем дырки больше, тем больше длинных макарон может проскользнуть. Полимерные цепочки — как длинные макароны, которые очень сложно загнать внутрь узкой поры», — поясняет один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков.
Подобный эффект не возникает у низкомолекулярных электролитов, так как размер их иона всего 0,3–0,4 нанометра и при размере поры один нанометр он легко перемещается. «Используя полимеры, мы можем выиграть в электрической емкости, но при этом важно избежать негативных эффектов. Мы подобрали параметры, при которых полимер будет эффективно работать, и считаем, что грамотное применение полиэлектролитов позволит накапливать больше энергии», — поясняет младший научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Николай Каликин.
Суперконденсаторы применяют в промышленности, возобновляемой энергетике, робототехнике и даже в общественном транспорте. Например, некоторые электробусы используют суперконденсаторы, чтобы быстро зарядиться на остановке и двигаться до следующей. «Эта статья — часть большого исследовательского проекта. Мы развиваем методологию численного моделирования двойных электрических слоев на границе металл — электролит. Сейчас мы подготовили теоретическую базу, а в будущем планируем создать программу, которая позволит моделировать поведение ионов и проводить инженерные оценки дифференциальной электрической емкости, — поясняет Юрий Будков. — Это поможет инженерам, которые разрабатывают суперконденсаторы, глубже понять физико-химические процессы в двойных электрических слоях суперконденсаторов и создавать более мощные и эффективные устройства».
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые раскрыли причины удивительной сохранности крупнейшей из пирамид Гизы. Секрет того, что за прошедшие тысячелетия пирамиду не разрушили землетрясения, кроется в особенностях ее конструкции, в том числе в так называемых разгрузочных камерах, расположенных непосредственно над погребальной камерой фараона.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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