Полимеры помогли увеличить ёмкость суперконденсаторов

Суперконденсатор — устройство, которое за несколько секунд может накопить и отдать заряд энергии. Он состоит из металлических электродов, погруженных в электролит. В своей новой модели учёные МИЭМ НИУ ВШЭ заменили типичный низкомолекулярный электролит на полиэлектролит и обнаружили негативный физический эффект: суперконденсаторы теряют емкость при размере поры электрода менее 1 нм. Теперь у инженеров появилась возможность создавать более мощные и эффективные устройства, подобрав особые условия для полиэлектролитов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review E.

Суперконденсатор похож на аккумуляторную батарею, но, в отличие от неё, создан не для длительного питания, а для кратковременных и мощных импульсов энергии. Их часто используют как резервный источник питания в смартфонах, автомобилях и различных гаджетах. 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 до +65 °C, что в два раза превышает рабочий диапазон литий-ионного аккумулятора.

Структура суперконденсатора состоит из металлических электродов, погруженных в электролит — жидкость, в которой находятся свободные заряженные частицы, катионы и анионы. Например, поваренная соль — это тоже 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 подведён 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 1 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.

Юрий Будков
Один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ

Подобный эффект не возникает у низкомолекулярных электролитов. Дело в том, что размер их иона всего 0,3–0,4 нм и при размере поры 1 нм 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.

Николай Каликин
Младший научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ

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. Это поможет инженерам, которые разрабатывают суперконденсаторы, глубже понять физико-химические процессы в двойных электрических слоях суперконденсаторов и создавать более мощные и эффективные устройства.

Юрий Будков
Один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ

IQ

May 17, 2023