Ученые предложили способ увеличения заряда суперконденсаторов

© iStock

Ученые МИЭМ ВШЭ и Института неклассической химии в Лейпциге предложили новую теоретическую модель суперконденсаторов. Она впервые учитывает свойства катиона, которые существенно влияют на электрическую емкость суперконденсатора. Это первая подобная работа в области электрохимии. По мнению авторов, модель должна позволить инженерам в будущем создавать более мощные источники энергии. Результаты работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ. 

Суперконденсаторы — это устройства, накапливающие энергию в  двойном электрическом слое на поверхности электрода (так, например, работают электроды платины, золота, углерода). Суперконденсатор, или ионистор, — это некий гибрид конденсатора и аккумулятора, и по сравнению с ними у него есть ряд преимуществ.  Он отличается, во-первых, высокой скоростью накопления электроэнергии и, во-вторых, большей электрической емкостью. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные при гораздо меньших электрических напряжениях. 

Емкость — главная характеристика, которая показывает, как много двойной электрический слой может накопить электрической энергии.

Эффективное расстояние между обкладками суперконденсатора, которыми служат металлический электрод и слой ионов, в двойном электрическом слое составляет всего несколько нанометров. Поэтому даже при малых приложенных напряжениях суперконденсатор может накопить огромную электрическую энергию.

Авторы статьи провели анализ и определили, как свойства катиона (положительно заряженного иона) ионной жидкости влияют на величину электрической емкости суперконденсатора. 

Существующие теоретические модели описывают ионы в суперконденсаторах как бесструктурные заряженные частицы, не конкретизируя, чем один ион отличается от другого. Но для ионных жидкостей важны не только электрический заряд и размер каждого иона, но и такие характеристики, как дипольный момент катиона и электронная поляризуемость. 

Дипольный момент — произведение величины зарядов диполя на расстояние между ними (длина диполя).

Электронная поляризуемость — величина, определяющая способность частицы приобретать наведенный дипольный момент во внешнем электрическом поле.

Ученые проанализировали, как ведет себя дифференциальная емкость в зависимости от напряжения при увеличении постоянного дипольного момента и статической поляризуемости катионов для ионных жидкостей и их разбавленных растворов.  

Увеличение поляризуемости катиона ионной жидкости приводит к росту дифференциальной электрической емкости суперконденсатора

В обоих случаях увеличение поляризуемости или постоянного дипольного момента катионов приводит к значительному увеличению дифференциальной емкости при отрицательных напряжениях. Такое поведение дифференциальной емкости авторы объяснили дополнительным притяжением катиона, обладающего постоянным или наведенным дипольным моментом, к электроду в неоднородном электрическом поле.

«Мы показали очень важную вещь, — объясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Емкость — а это главная характеристика, которая показывает, как много двойной электрический слой может накопить энергии, — чувствительна к изменению дипольного момента и поляризуемости органического катиона. Это дает возможность экспериментатору — инженеру-электрохимику, если он хочет достичь больших емкостей, заранее выбрать такую ионную жидкость, катион которой обладает большим дипольным моментом или поляризуемостью».

Юрий Будков

Ученые отмечают, что их работа фундаментальная и в будущем позволит инженерам-экспериментаторам делать более точные расчеты при проектировании суперконденсаторов. Суперконденсаторы используют в качестве источников питания в разных отраслях промышленности — от жилищного хозяйства до альтернативных источников энергии, а также в электронных и мобильных устройствах, в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров, микросхем памяти и электронных часов.

«Мы планируем разрабатывать программное обеспечение, которое позволит спрогнозировать емкостные свойства различных ионных жидкостей и растворов электролитов на конкретных электродах — углерод, золото, платина. Также программное обеспечение будет учитывать эффект, связанный с диэлектрическими свойствами ионов», — подчеркнул профессор Будков.