Новые горизонты в исследовании суперконденсаторов: НИУ ВШЭ раскрывает влияние отдельных молекул и ионов на эффективность накопления энергии

Учёные НИУ ВШЭ провели моделирование работы суперконденсаторов на молекулярном уровне с использованием суперкомпьютеров. Они исследовали поведение ионов и молекул растворителя, например, воды, в нанопорах. В НИУ ВШЭ отметили, что даже незначительное количество воды способно изменить распределение заряда и оказать влияние на энергоемкость устройства. Результаты работы опубликованы в журнале Electrochimica Acta.

Суперконденсаторы способны быстро накапливать и отдавать электрическую энергию и находят применение в электронике, гибридных автомобилях, системах рекуперации энергии, а также солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, заряжающихся в течение минимум нескольких минут и способных работать до тысячи циклов, суперконденсаторы заряжаются всего за секунды и могут выполнять сотни тысяч циклов без потери ёмкости. Однако их основное ограничение заключается в том, что при одинаковых размерах они хранят меньше энергии, чем аккумуляторы, что стимулирует учёных на поиски путей для увеличения ёмкости суперконденсаторов.

Ранее исследовательская группа НИУ ВШЭ изучила поведение ионов и молекул электролита в углеродных нанопорах и разработала модель двойного электрического слоя. В настоящем исследовании совместно с Институтом химии растворов РАН учёные впервые смоделировали характеристики электролита на уровне отдельных молекул и ионов. Они проанализировали систему ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах размером от 0,7 до 1,9 нанометра. На основе траекторий движения молекул и ионов они вычислили дифференциальную электрическую ёмкость и сопоставили её с экспериментальными данными.

Профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков отмечает, что моделирование позволило выяснить, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах и формируют слоистую структуру, а также как эти слои изменяются в зависимости от заряда электрода. Учёным удалось впервые получить дифференциальную ёмкость суперконденсатора непосредственно при помощи молекулярной динамики на атомарном уровне, что позволяет делать более точные прогнозы работы суперконденсаторов без необходимости в сложных и дорогостоящих экспериментах.

Моделирование продемонстрировало, что даже незначительные примеси воды способны оказывать влияние на поведение электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала порядок ионов и снижала дифференциальную ёмкость, в то время как при сильно положительном заряде вода способствовала увеличению ёмкости, выстраиваясь в электрическом поле и частично компенсируя действие заряда электрода, что влияло на распределение ионов.

Учёные также установили, что колебания ёмкости связаны с изменениями расклинивающего давления, возникающего в тонкой плёнке жидкости в нанопорах. Впервые было показано, что колебания давления соответствуют изменениям ёмкости и отражают изменения и уплотнение внутренних слоёв электролита при зарядке электрода. Данный анализ объясняет, почему влажность и состав электролита оказывают влияние на эффективность работы суперконденсаторов.

Научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина подчеркивает, что даже незначительные примеси воды могут изменять внутреннюю структуру электролита, что, в свою очередь, влияет на процессы накопления заряда. Это открытие имеет значение для разработки новых электролитов и материалов для электродов.

Исследователи уверены, что такие модели позволят более точно прогнозировать работу суперконденсаторов и создавать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии.