Российские ученые нашли способ увеличить емкость суперконденсаторов

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.

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».