Используя суперкомпьютерное моделирование, исследователи из НИУ ВШЭ проанализировали взаимодействие ионов и молекул воды-растворителя внутри нанопор суперконденсатора. Полученные данные свидетельствуют о том, что даже незначительное присутствие воды приводит к изменению распределения заряда внутри нанопор и оказывает влияние на энергетические характеристики устройства. Данный метод позволяет прогнозировать работу суперконденсаторов при различных составах электролита и в условиях различной влажности. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Суперконденсаторы — это небольшие устройства, предназначенные для быстрой зарядки и разрядки электрической энергии. Они используются в электронике, гибридных транспортных средствах, системах рекуперации энергии, а также на солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, требующих от нескольких минут до нескольких часов для полной зарядки и имеющих ресурс около 500–1000 циклов, суперконденсаторы заряжаются всего за секунды и способны выдерживать сотни тысяч циклов без существенной потери емкости, то есть количества энергии, которое они могут накопить и отдать. Основной недостаток суперконденсаторов заключается в том, что они запасают меньше энергии по сравнению с аккумулятором аналогичного размера, несмотря на свою высокую скорость работы. В связи с этим ученые продолжают исследовать свойства суперконденсаторов с целью повышения их электрической емкости.
Ранее команда НИУ ВШЭ уже изучила, как ведут себя ионы и молекулы электролита внутри углеродных нанопор создала модель двойного электрического слоя. В новой работе ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН впервые смоделировали поведение электролита на уровне отдельных ионов и молекул с помощью суперкомпьютера НИУ ВШЭ. Они исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах шириной 0,7–1,9 нанометра. На основе полученных траекторий движения молекул и ионов исследователи рассчитали дифференциальную электрическую емкость, сравнив результаты с экспериментальными данными.
«Моделирование позволило визуализировать распределение ионов и молекул растворителя в порах, формирование послойных структур и изменение этих слоев в зависимости от заряда электрода. Впервые дифференциальная емкость суперконденсатора была получена непосредственно из полноатомной молекулярной динамики, а не на основе упрощенных теоретических моделей. Этот метод позволяет более точно прогнозировать работу суперконденсаторов, избегая при этом сложных и дорогостоящих экспериментов», – сообщил профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков.
Моделирование выявило, что даже незначительное количество воды существенно влияет на свойства электролита внутри нанопор. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала упорядоченность ионов, что приводило к снижению дифференциальной емкости. Однако при сильном положительном заряде вода, наоборот, способствовала увеличению емкости: ее молекулы выстраивались в электрическом поле и частично нивелировали воздействие заряда электрода на ионы, изменяя их распределение в нанопорах.
Исследователи установили, что изменение емкости напрямую зависит от толщины поры и связано с колебаниями расклинивающего давления – избыточного давления в тонкой пленке жидкости, находящейся внутри нанопор. Впервые продемонстрировано, что эти колебания соответствуют изменениям емкости устройства и указывают на то, как внутренние слои электролита перемещаются и уплотняются в процессе зарядки электрода. Данный анализ позволяет понять, почему во время работы суперконденсаторов изменение влажности или состава электролита может влиять на эффективность устройства, приводя к ее увеличению или уменьшению.
«Незначительное количество воды способно изменять внутреннюю структуру электролита в порах и оказывать влияние на накопление заряда. Для создания новых электролитов и материалов электродов необходимо учитывать подобные нюансы, отметила научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
По мнению ученых, эти модели дадут возможность более точно предсказывать работу суперконденсаторов и способствуют созданию более производительных и надежных устройств для транспортной отрасли, электроники и систем накопления энергии.
Информация предоставлена пресс-службой НИУ ВШЭ