Российские ученые нашли способ увеличить емкость суперконденсаторов – Поиск

75

Суперконденсатор — это устройство, способное накапливать и высвобождать заряд энергии за несколько секунд. Он состоит из металлических электродов, погруженных в электролит. В своей модели ученые МИЭМ НИУ ВШЭ заменили типичный низкомолекулярный электролит полиэлектролитом и обнаружили отрицательный физический эффект: суперконденсаторы теряют емкость при размере пор электрода менее 1 нм. Подбирая правильные 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, рассчитан не на длительное питание, а на кратковременные и мощные импульсы энергии. Их часто используют в качестве резервного источника питания в смартфонах, автомобилях и мелкой бытовой технике. Например, в видеорегистраторах суперконденсатор будет удерживать заряд до завершения и сохранять видео, если машина заглохнет и отключится основной источник питания. Суперконденсаторы меньше изнашиваются и в среднем служат на 5–10 лет дольше, чем батареи. Они эффективны при температуре от -40°С до +65°С, что вдвое превышает рабочий диапазон литий-ионного аккумулятора. Суперконденсатор состоит из металлических электродов, погруженных в электролит, жидкость, содержащую свободные заряженные частицы, катионы и анионы. Например, поваренная соль является электролитом; при растворении в воде распадается на ионы Na+ и Cl-. Заряд на суперконденсаторе накапливается в двойном электрическом слое (ДЭС). Он образуется на границе между жидким электролитом и электродом, к которому приложен электрический потенциал. Первый слой — это сам электрод, а второй слой — ионы электролита, которые притягиваются к нему силами электростатического притяжения. Исследователи МИЭМ НИУ ВШЭ разработали математическую модель ДЭС, в которой традиционные низкомолекулярные электролиты заменены полимерными. Полиэлектролиты помогают увеличить электрическую емкость, характеристику, которая измеряет, сколько электричества может хранить устройство. Это связано с тем, что заряженная полимерная цепь более эффективно притягивается к электроду, чем низкомолекулярный электролит.Низкомолекулярные электролиты представляют собой органические соли, кислоты и основания, катионы и анионы которых свободно перемещаются. Полимерные электролиты (полиэлектролиты) представляют собой более сложные соединения, в которых ионы одного типа (например, катионы) сшиты в длинные полимерные цепи, а другой (анионы) перемещаются свободно. С помощью модели исследователей впервые было обнаружено, что если поры электрода слишком узкие (толщина меньше или равна 1 нанометру), то полимерные цепи электролита не могут проникнуть внутрь из-за электростатического отталкивания стенок пор. «Можно провести бытовую аналогию с макаронами и дуршлагом. Если вы используете длинное и короткое тесто, короткое лучше проходит через дуршлаг. Но чем больше отверстия, тем дольше тесто может пройти через них. Полимерные цепочки похожи на длинные пасты, которым очень сложно попасть в узкую пору», — поясняет один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. Подобный эффект не возникает в электролитах с низкой молекулярной массой, поскольку размер их иона составляет всего 0,3-0,4 нм, а при размере пор 1 нм он легко перемещается. «Используя полимеры, мы можем выиграть в электрической емкости, но важно избежать негативных эффектов. Мы выбрали параметры, при которых полимер будет эффективно работать, и мы считаем, что грамотное использование полиэлектролитов позволит нам накапливать больше энергии, — поясняет Николай Каликин, молодой научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ. Суперконденсаторы используются в промышленности, возобновляемой энергетике, робототехнике и даже в общественном транспорте. Например, некоторые электробусы используют суперконденсаторы для быстрой подзарядки на остановке и перехода к следующей. «Эта статья является частью более крупного исследовательского проекта. Разработана методика численного моделирования двойных электрических слоев на границе металл-электролит. Сейчас мы подготовили теоретическую базу, а в дальнейшем планируем создать программу, которая позволит моделировать поведение ионов и осуществлять инженерные расчеты дифференциальной электрической емкости, — поясняет Юрий Будков. «Это поможет инженерам, разрабатывающим суперконденсаторы, лучше понять физические и химические процессы в двойных электрических слоях суперконденсаторов и создавать более мощные и эффективные устройства». Пресс-служба ВШЭ

Ссылка на источник новости

Авторизация
*
*
Регистрация
*
*
*

Leave the field below empty!

Генерация пароля
Закрыть