Российские ученые из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» совместно с Институтом химии растворов РАН проводят передовые исследования повышения эффективности суперконденсаторов. Работа выполняется при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и уже приводит к впечатляющим результатам, способным значительно изменить будущее хранения и передачи энергии.
Почему суперконденсаторы так важны для современных технологий
Суперконденсаторы представляют собой компактные устройства, предназначенные для мгновенного накопления и отдачи электрического заряда. Их находят во множестве современных технологий: от электроники до транспорта, включая гибридные автомобили, системы рекуперации энергии и возобновляемые источники — солнечные и ветровые электростанции. В отличие от классических аккумуляторов, которые заряжаются долго, а ресурс их ограничен сотнями циклов, суперконденсаторы способны заряжаться за считанные секунды и выдерживать сотни тысяч циклов. Однако до недавних пор их емкость — количество запасаемой энергии — оставалась существенно ниже, чем у аккумуляторов того же объема. Решение этой задачи является одним из ключевых направлений исследований в энергетике.
Вклад Юрия Будкова, Дарьи Гуриной и команды НИУ ВШЭ в новую науку
Научная группа под руководством профессора Юрия Будкова из МИЭМ НИУ ВШЭ и при активном участии Дарьи Гуриной впервые в мире провела моделирование поведения электролита на детальном атомном уровне. Для этого использовались ресурсы суперкомпьютера НИУ ВШЭ, что позволило симулировать поведение ионов, органических молекул и даже молекул воды внутри углеродных нанопор шириной от 0,7 до 1,9 нанометра. Проведённые расчеты обеспечили более точное понимание работы суперконденсаторов и открыли новые подходы к их модернизации.
«Наше моделирование позволило буквально увидеть, как ионы и молекулы растворителя выстраиваются слоями внутри пор, и как меняется эта структура при изменении заряда электрода, — отмечает профессор Юрий Будков. — Мы первыми смогли получить дифференциальную емкость суперконденсаторов путем детальной молекулярной динамики, не прибегая к упрощенным теоретическим подходам. Это дает возможность намного точнее прогнозировать поведение устройств без необходимости сложных и затратных экспериментов».
Важная роль воды и структуры пор для накопления энергии
В ходе работы выяснилось: даже незначительные примеси воды в электролите вносят значимые коррективы. При небольшом отрицательном заряде электрода присутствие воды нарушает упорядоченность ионов, что приводит к уменьшению емкости. Зато при сильном положительном заряде молекулы воды, выстраиваясь вдоль электрического поля, улучшают накопление заряда, изменяя структуру электролита в нанопорах в благоприятную сторону. Это открытие стало возможным благодаря точному отслеживанию поведения молекул и ионов внутри сверхмалых углеродных пор — подобные процессы раньше рассматривались лишь теоретически, а не на уровне молекулярной динамики.
Кроме того, исследователи обнаружили интересную зависимость: изменение электрической емкости с изменением толщины пор материала связано с так называемыми колебаниями расклинивающего давления. Это явление описывает избыточное давление, возникающее в тонкой пленке электролита между стенками нанопор. Авторский коллектив впервые показал, что колебания этого давления гармонируют с изменениями емкости суперконденсаторов, демонстрируя смещение и уплотнение слоев электролита при зарядке устройства.
Новые материалы и электролиты — ключ к эволюции суперконденсаторов
Дарья Гурина, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ, подчеркивает: «Даже минимальные примеси воды способны перестроить внутреннюю структуру электролита в поре и заметно влиять на процесс накопления заряда. Осознание таких тонких закономерностей становится отправной точкой в создании инновационных материалов для электродов и более продвинутых электролитов».
Модели, разработанные с участием специалистов НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН, позволят создавать более точные прогнозы работы суперконденсаторов. Это откроет новые горизонты в конструировании энергетических накопителей для транспорта, электронной техники и надёжных систем хранения энергии.
Потенциал исследований: перспектива для российской и мировой науки
Полученные результаты не только объясняют сложные внутренние процессы в суперконденсаторах, но и дают ученым прочную базу для дальнейших прорывных открытий. Такой фундаментальный подход ускоряет появление новых поколений устройств, способных хранить и отдавать электрическую энергию быстрее и эффективнее, чем современные прототипы.
Оптимистический взгляд на будущее
Дальнейшее интегрирование результатов работы исследователей НИУ ВШЭ, Института химии растворов РАН и финансирование проектов Российским научным фондом обеспечивают уверенность в будущем энергетических технологий. Современные суперконденсаторы станут неотъемлемой частью энергоэффективных решений, а быстропротекающие процессы, лежащие в их основе, будут расшифрованы до мельчайших деталей. Новое поколение электроники, транспорта и систем хранения энергии уже близко — благодаря совместным усилиям российских учёных.
Источник: naked-science.ru
